Manual de Construccion de Tuneles

(1) Whittaker B.N. & Frith R.C.: "Tunnelling. Design, Stability and Construction", The lnstitution of Mining and Metallurgy, 1990. (2) Bouvard-Lecoanet A., Colombet G. y Esteulle F.: "Ouvrages Souterrains. Conception, Realisation, Entretien " , Presses de I'école nationale des Ponts et Chaussees, 1988. (3) Brown E.T. (Editor): " Rock Characterization, Testing and Monitoring " , Pergamon Press, 198 1. (4) Hoek E. & Brown E.T.: "Underground Excavations in Rock", lnstitution of Mining and Metallurgy, 1980.

(5) Jimenez Salas J.A. et al: "Geotecnia y Cimientos II", Ed. Rueda, 1981. (6) Wittke W.: " Rock Mechanics", Springer-Verlag, 1990.

(7) Herget G.: " Stresses in Rock", Balkema, 1988. (8) Cornejo L.: "Excavación mecánica de túneles", Ed. Rueda, 1988. (9) Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE): "Plano Geológico de España, escala 1/50.000, Serie Magna", ITGE.

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

relación con las Clasificaciones Geomecánicas son las siguientes:

3

r-

o

Efectuar el Estudio Geológico de la traza por donde va a discurrir el túnel. Evaluar litologías, resistencia de la roca, estado de las juntas y presencia de agua. Dividir el perfil longitudinal del tílnel en tramos de características similares. Calcular el índice de clasificación de cada tramo. Es conveniente el uso de al menos dos sistemas de clasificación, los más habituales son el de Bieniawski y el de Barton. Asignar a cada tramo un sostenimiento, en función del índice de calidad obtenido de las propuestas del sistema de clasificación y de la propia experiencia del proyectista.

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

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

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

El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski (2) durante los años 197273, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente con la de 1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes: La resistencia a compresión simple del material El RQD (Rock Quality Designation) e El espaciamiento de las discontinuidades El estado de las discontinuidades La presencia de agua La orientación de las discontinuidades El RMR se obtiene como suma de unas puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros enumerados (tabla 4.1). El valor del RMR oscila entre O y 100, y es mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Bieniawski distingue cinco tipos o clases de roca según el valor del RMR: CLASE 1: RMR>80, Roca muy buena CLASE 11: 80
una valoración máxima de 15 puntos, y puede utilizarse como criterio el resultado del Ensayo de Resistencia a Compresión Simple o bien el Ensayo de Carga Puntual (Point Load).

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

S E P A R A ( ¿ I ~E ~ B ~\ ~T R EDISCGNT~NUIDADES.Tiene

una valoración máxima de 20 puntos. El parámetro considerado es la separación en metros entre juntas de la familia principal de diaclasas de la roca.

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

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

PRESENCIA DE AGUA.-

O R I E N T A C I ~ ND E L A S D I S C O N T I N U I D A D C S . -Este

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

mediante perforación y voladura, con anchura o vano comprendido entre 5 y10 metros. Por último creemos de utilidad indicar algunas correlaciones que algunos autores han elaborado entre el RMR y otros parámetros, citadas igualmente por Bieniawski ('),(*): P A R A M E T R O Sm Y s DE HOEK Y BROWN

CARGA SOBRE EL SOSTENIMIENTO

RMR

- 100

RMR- 100

m=mi e

l4

RMR- 100

RMR- 100

p: carga sobre el sostenimiento

Roca excavada mecánicamente

y: peso específico de la roca

m, S: Parámetros del criterio de rotura de Hoek & ~ r o w n ' ~ '

b: anchura del túnel

mi: Parámetro m de la roca intacta, obtenido en laboratorio

MODULO D E DEFORMACION

E, = 2 RMR-100

(para R M R > ~ ~ )

RMR- 10

(i,

= 10

40

(para RMR<85)

Em: Módulo de deformac~ónen GPa

Roca excavada mediante voladura

CORRELACIÓNCON LA CLASIFICACIÓN DE BARTON

RMR=9.0 lnQi-44 RMR=10.5 lnQi-42 RM R= 'l 3.5 1 nQi-43

(Según B~enlawski,1976) (Según Abad et al, 1983) (Según Rutledge, 1978)

Según d~versosa~tores"','~'

4.1 se observa el tiempo máximo de estabilidad de la excavación sin sostener, en función de la calidad de la roca (RMR) y del vano existente (normalmente la anchura del túnel).

TIEI\NO D E ESTASILIDAD.- En la figura

-

HORA

1 hora

DIA

10

-

SEMANA

1O2

MES

ANO

1O3

10'

10 ANOS

10'

TIEMPO DE ESTABILIDAD HORAS

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

Jr Jw Q = -RQD -Jn Ja SRF donde cada parámetro representa lo siguiente: RQD es el índice Rock Quality Designation, es decir, la relación en tanto por ciento entre la suma de longitudes de testigo de un sondeo mayores de 10 cm y la longitud total. Barton indica que basta tomar el RQD en incrementos de 5 en 5, y que como mínimo tomar RQD=I0. J, varía entre 0.5 y 20, y depende del número de familias de juntas que hay en el macizo. J, varía entre 1 y 4, y depende de la rugosidad de las juntas. J, varía entre 0.75 y 20, y depende del grado de alteración de las paredes de las juntas de la roca. J, varía entre 0.05 y 1, dependiendo de la presencia de agua en el túnel. SRF son las iniciales de Stress Reduction Factor, y depende del estado tensional de la roca que atraviesa el túnel. Para la obtención de cada uno de los cinco últimos parámetros, Barton aporta unas tablas donde se obtienen los valores correspondientes en función de descripciones generales del macizo rocoso (tabla 4.7, tabla 4.8, tabla 4.9, tabla 4.1 0 y tabla 4.12). NOTAS: (1) Para boquillas tomar 2.Jn (2) Para intersecc~onestomar 3.Jn

(1) Datos de la familia principal. (2) Sumar 1.O si el espaciamiento entre juntas es mayor de 3 metros. (3) Jr=0.5 para juntas planas con espejo de falla en alineaciones con orientación favorable.

NOTAS: (1) Datos de la familia principal.

(2) Recubrimientos discontinuos de las paredes, de espesor entre 1 -2mm. o menos. (3) Recubrimientos continuos de las paredes, de espesor <5mm.

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

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

(2) No se considera formación de hielo.

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

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

Las tablas 4.13 - 4.1 7 van acompañadas de unas notas aclaratorias; en ellas se definen 38 categorías de sostenimiento, en función principalmente de Q y de la Dimensión Equivalente. La figura 4.2 permite conocer en qué categoría de sostenimiento nos situamos.

CATEGORIAS DEL SOSTENIMIENTO n

E

Categortas del sostenimiento (Barton)

1

1

Excep. mala

0,001

1

Extrem. mala

0,Ol

/

Muy mala

0,l

0,4 1

/

Muy Extrem. Exc. Mala iMedia Buena buena/ buena buena/

4

10

lndice Q

40

100 400 1000

NOTAS: (1) Rc: Resistencia a compresión simple, Rt: Resistencia a tracción.

(2) 03:Tensión principal mayor del macizo (de compresión). (3) Considerar SRF un 25-50% si las zonas débiles influyen, pero no intersectan la excavación. (4) Para campos tensionales anisótropos, reducir 0,8 Rc y 0,8 R t para 5 I

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

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

M á x . V a n o = 2 . € S R Qo4

PRESION SOBRE LA CLAVE

Con tres o más familias de juntas

PRESION SOBRE LOS SiASTIALES

Expresiones iguales a las anteriores, pero modificando

Con menos de tres familias de juntas

el valor de Q con los siguientes criterios:

- si Q>10, tomar 5 Q

- si O.l
P=

2

3Jr

-\IJn

'fl

NOTA (para las tablas 4.13 a 4.17): Claves para identificar el sostenimiento: sb: Bulonado puntual. B: Bulonado sistemático, espaciado entre bulones en metros. (utg): Bulones pasivos inyectados. (tg): Bulones activos inyectados. S: Hormigón proyectado, espesor en centímetros. (mr): Con mallazo. clm: Malla de gallinero CCA: Anillo de hormigón encofrado, espesor en centímetros. (sr): Armado con acero.

1

Excep. mala

1

C L A S E S

Extt-em. mala

1

Muy mala

D E

R O C A

1 1 1 Mala

f3uena1z$

"

1 ;$1 [

es WI1

ws

CCA : HORMIGON DE REVESTIMIENTO

Sfr : HORMIGON PROYECTADO CON FIBRA B:

BULONADO SISTEMATICO

Calidad del macizo rocoso

Sb : BULONADO PUNTUAL S:

HORMIGON PROYECTADO

RRS : CERCHAS + HORMIGON PROYECTADO

Jn

Ja

SRF

Se explican brevemente a continuación las características de otros sistemas de clasificación geomecánica, pero sin entrar en el contenido concreto de las mismas ya que hoy en día son poco utilizados. CLASIFICACI~I\? DE TERZAGill La Clasificación de Terzaghi fue propuesta por este autor en 1964. Clasifica los terrenos en 9 tipos: los tipos 1 al 5 son diversas calidades de roca, el tipo 6 son arenas y gravas, el tipo 7 y 8 son arcillas, y el tipo 9 son terrenos expansivos. Para cada uno de ellos da una carga de roca sobre el revestimiento del túnel en función de las dimensiones de éste, de la profundidad y de la densidad de la roca. CLASIFICACIÓN DE PROTODYAKONOV ES una clasificación que fue usada en los países del Este de Europa. Se basa en clasificar los terrenos asignándoles un parámetro " f " llamado coeficiente de resistencia a partir del cual se definen las cargas que actúan sobre el revestimiento. El valor de f se obtiene en rocas a partir de la resistencia a compresión simple y en suelos a partir de la cohesión y el ángulo de rozamiento. C L A S I F I C A C IDE ~ FLAUITEF: \J Se definen siete clases de terreno, denominadas A, B..., G, a partir de características generales. En un ábaco se muestra el tiempo de estabilidad de la excavación sin sostener en función de la clase de terreno y del vano máximo del túnel. CLASIFICACIÓI~I RQD Fue propuesta por Deere y se basa en clasificar el terreno únicamente por el valor del Rock Quality Designation o RQD. Según el valor de este parámetro se proponen unos ciertos sistemas de sostenimiento. Hoy en día no se utiliza esta clasificación, aunque el RQD sigue siendo uno de los principales parámetros de caracterización de los macizos rocosos.

c~~sirrr¿,wCm R S R Fue definida por Wickham et al en 1972, y es el antecesor inmediato del sistema RMR. Se basa en obtener un índice de calidad de la roca llamado RSR (Rock Structure Rating). El RSR se obtiene como suma de tres parámetros: RSR = A + B + C, y tiene un valor comprendido entre O y 100, al igual que el RMR. El parámetro A tiene un valor máximo de 30 puntos, y depende de la litología y de la estructura del macizo rocoso. El parámetro B tiene un valor máximo de 50 puntos, y es función de la orientación de las juntas con respecto al eje del túnel y de la separación entre diaclasas de la misma familia. Por último, el parámetro C tiene un valor máximo de 20 puntos, y depende de la presencia de agua y del estado de las diaclasas. El autor propone unas tablas de doble entrada en donde se obtienen los tres valores A, B y C. Posteriormente aporta unas expresiones para calcular la carga de la roca sobre el revestimiento en función del RSR y de las dimensiones del túnel. CLASIFICACIÓN DE GONZÁLEZ VALLEJO Propuesta por este autor español en 1983, esta clasificación es una adaptación de la Clasificación de Bieniawski para ser aplicada conociendo únicamente datos superficiales. Además de los parámetros que incluye el sistema RMR, se usan: la historia tectónica del macizo, la durabilidad de la roca, el método de excavación y el tiempo que va a estar el túnel sin sostener.

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

(2) Bieniawski, Z.T.: " Engineering Rock Mass Classifications", John Wiley & Sons, Inc., 1989. (3) Barton N., Lien R. & Lunde J.: "Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support". Rock Mechanics, Springer Verlag, vol. 6, 1974. (4) Hoek & Brown: "Underground Excavations in Rock", lnstitution of Metalurgy, 1980. (5) Barton, N. Et al: "Norwegian Method of Tunnelling". World Tunnelling. Julio-Agosto, 1992.

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

Formulación elástica Método de las Curvas Características

NUMÉRICOS:

Método de los muelles o Reacciones Hiperestáticas Método de los Elementos Finitos 0 Método de las Diferencias Finitas Método de los Elementos de Contorno a Método de los Elementos Discretos En los capítulos siguientes se describen los fundamentos y posibilidades de cada uno de ellos. 0

Las expresiones de la Teoría de la Elasticidad, que son un sistema de ecuaciones en derivadas parciales, pueden ser aplicadas al caso de los túneles haciendo una serie de hipótesis simplificadoras: El túnel se supone de forma circular y sin revestir. El terreno se supone indefinido, homogéneo e isótropo. Se analiza un problema bidimensional en deformación plana. Con estas hipótesis las ecuaciones son integrables analíticamente. En la figura 5.1, figura 5.2 y figura 5.3, se muestran los resultados que se obtienen para los tres casos más habituales: medio elástico y condiciones iniciales isótropas, medio elástico y condiciones iniciales anisótropas y medio elasto-plástico con condiciones iniciales isótropas '3'. El alcance de este método es muy limitado ya que las hipótesis simplificadoras son tan severas que no se ajustan prácticamente a ningún caso real. El interés de estas formulaciones reside en que dan un orden de magnitud de las tensiones y deformaciones que Q

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

Medio eldstico. Tensiones iniciales isótropas

MEDlO ELÁSTICO. TENSIONES INICIALES ANISÓTROPAS

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

S ~ @

~~=0.5(o:+o~)(1-a~)-0.5(o~+of)(193a~-a~) cos28 T,~=O.~(CJ:+CT~)(I -3a4+2a2)sin28 siendo a=Wlr

Medio elástico. Tensiones iniciales

MEDlO ELASTOPLÁSTICO.TENSIONES INICIALES ISÓTROPAS

cp 1+sencp siendo k, = td(45+-) = 2 1 - sencp

Medio elastoplástico Tensiones iniciales isótropas

El Método de las Curvas Características o Método de Convergencia/Confinamiento permite analizar el comportamiento tensodeformacional de la superficie excavada así como del sostenimiento aplicado a la misma. Es un método simple y fácil de usar, pero que también presenta tantas hipótesis simplificadoras, que su utilidad es más bien relativa. El método de curvas características del terreno y del sostenimiento explica de forma gráfica los fundamentos del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles (NATM), que es el origen de muchos de los métodos constructivos de túneles usados hoy en día. Las hipótesis de partida del método de las curvas características son las que se relacionan a continuación: Se considera una sección plana del problema, supuesto un comportamiento con simetría cilíndrica, en deformación plana. - El túnel se supone circular y con un sostenimiento colocado en todo su contorno. El terreno es indefinido, homogéneo e isótropo. El estado de tensiones inicial es también isótropo, con una tensión inicial 00. Para el terreno es válido alguno de los siguientes criterios de rotura: elástico, elastoplástico perfecto, elastoplástico frágil y medio puramente cohesivo (con rozamiento cp=O). Para el sostenimiento son válidos todos o alguno de los siguientes elementos: anillo de hormigón proyectado o colocado, anclajes o bulones y cerchas.

-

Los fundamentos del método se explican con ayuda de la figura 5.4. El sistema consiste en dibujar dos curvas: la curva de convergencia o del terreno y la curva de confinamiento o del sostenimiento. Ambas se representan en el mismo diagrama, donde el eje horizontal es la deformación S, del contorno de la excavación hacia su interior y el eje vertical representa la tensión radial o, del elemento de terreno situado en el contorno de la superficie excavada del túnel. La curva del terreno ABC se obtiene de las ecuaciones elásticas vistas en el apartado anterior. Inicialmente el terreno tiene una tensión o 0 (punto A). Una vez excavado el terreno, la roca empieza a relajarse, disminuyendo la tensión y aumentando la deformación. En una primera fase (A-B) el comportamiento es elástico, por lo que la curva es una Iínea recta. En el punto B se supera el criterio de rotura, y la Iínea tiene una forma u otra dependiendo del comportamiento plástico elegido para el terreno. Si la Iínea del terreno corta el eje X significa que la excavación Deformacion radial 81 se autosostiene sin necesidad de ningún elemento estructural

de refuerzo, con una deformación radial dada por la abcisa del punto de corte. Si, por el contrario, la curva no toca el eje X y comienza a subir de nuevo (punto C) se produce el colapso del túnel. La forma de la curva del sostenimiento depende de la rigidez de los elementos resistentes, que lo componen: hormigón, bulones y cerchas. Es posible definir el momento en que deben colocarse los diversos elementos resistentes, que generalmente se realiza un tiempo después de efectuada la excavación. La curva del sostenimiento es la D-E-F-G. En el ejemplo se supone que se emplean dos elementos resistentes (p.e. bulones y hormigón). El primero empieza a actuar cuando ya se ha producido una deformación 61, mientras que el segundo se coloca cuando ya se ha producido una deformación ¿j2.Cada elemento del sostenimiento tiene un comportamiento elastoplástico perfecto: tiene una primera zona elástica (DE ó FG) hasta alcanzar un cierto criterio de rotura, y a partir de ahí una zona plástica (EF), en que se deforma sin soportar más carga. Generalmente las dos curvas se cortarán en un punto de equilibrio, que nos define la deformación radial alcanzada por el contorno del túnel (6,) y la presión que la roca está ejerciendo sobre el sostenimiento o,. Si no hay punto de equilibrio significa que la excavación es inestable. Otra posibilidad es que el terreno se autosostenga antes de colocar el refuerzo, en tal caso la curva del terreno cortaría el eje X entre el origen y el punto D. Del método se extraen dos conclusiones de interés: e La roca tiene una cierta capacidad de autosostenerse, es decir, el túnel puede ser estable sin necesidad de sostenimiento. Es conveniente dejar relajarse al terreno antes de colocar el sostenimiento, por supuesto, sin que se produzca el colapso, porque de este modo la cuantía de los elementos estructurales del mismo podrá ser menor. Dicho de otro modo: hay que aprovechar al máximo la capacidad autoportante de la roca. La sencillez del Método de las Curvas Características hace que sea posible usarlo manualmente, o escribir un programa sencillo que proporcione puntos de las curvas. El programa SOSTENIM, publicado por el Instituto Geológico y Minero de España permite efectuar estos cálculos de forma cómoda en un ordenador personal ").

Modelo para cálculo por reacciones hipe7-estáticas

numérico consiste en modelizar una sección plana del sostenimiento o revestimiento del túnel mediante una serie de elementos lineales o barras. Los nodos tienen tres grados de libertad: movimiento X e Y y giro Z,lo que permite obtener axiles, cortantes y flectores en las barras. El terreno, se representa mediante unos muelles que, por un lado, conectan con los nodos del revestimiento y, por otro, están totalmente coaccionados (véase figura 5.5). Los muelles simulan la reacción pasiva que ejerce el terreno sobre el hormigón cuando éste trata de desplazarse hacia él. Por tal motivo sólo trabajan a compresión y nunca a tracción.

La carga activa que ejerce la roca sobre el revestimiento se modeliza mediante una fuerzas actuando sobre los nodos del mismo. El valor de la carga ha de suponerse, y es aquí donde radica la inexactitud de este método. Se hacen distintas consideraciones según la zona de aplicación de las cargas: C A R G A S ?/EATICALES S O B R E SOVEDA: Normalmente se toman igual a p,

= y . H , es

decir, directamente la presión litostática. No obstante, si el túnel es muy profundo ese valor resulta excesivo, y debe reducirse para considerar que es una cierta zona de descarga la que únicamente gravita sobre el revestimiento del túnel. Pueden tomarse igual a p, = Ko . p, siendo Ko el coeficiente de empuje en reposo del terreno, que normalmente se toma como 0.5 en suelos y variable en rocas, oscilando entre 0.5 y 3.0 dependiendo de la profundidad y de la historia tectónica del macizo. No obstante, las cargas horizontales sólo deben considerarse cuando el terreno realmente empuje horizontalmente, lo que sucede si Ko es alto o si el revestimiento es relativamente flexible. CARGAS i-iORiZrJ:\JiALES §OBRE I-IASI;ALES:

c ~ i % G i - . Svrmcri,irs

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

EsJCiserzos obtenidos en el cúlculo d e Reacciones Hip e~estriticas

Cr-,F.GA5 DE AGUA: Se aplica la presión hidrostática si se supone que el revestimiento es totalmente impermeable. Si no, hay que reducir su valor en una cierta fracción. La constante elástica del muelle Em se obtiene a partir del módulo de balasto del terreno K, de la longitud de los muelles L y de su separación medias. La expresión es la siguiente: €,=S-L-K, suponiendo que la sección transversal de los muelles es A=l m2. Por su parte, el módulo de balasto t< es complicado de obtener, pues depende no sólo del terreno, sino también de las dimensiones del túnel y del radio de curvatura del revestimiento en cada punto. E Se suele utilizar el valor medio que se obtiene de: K=R.(IW) donde E es el módulo de elasticidad del terreno, u es el coeficiente de Poisson, y R es el radio medio del túnel. Algunas veces se ha modelizado también el rozamiento entre terreno y hormigón. Esto se consigue colocando otros muelles perpendiculares a los que simulan la reacción normal. La simplificación básica que adopta este método es que no considera el terreno, sino que sustituye éste por unas fuerzas y por unos muelles que tratan de reproducir su acción. Los resultados están del lado de la seguridad, pues generalmente no actúa sobre el hormigón el total de las cargas de excavación, sino solamente una parte. Esto es así porque no se considera la capacidad autoportante de la roca, ni la excavación en sucesivas fases constructivas, ni la acción del bulonado, etc. Los resultados típicos obtenidos con este tipo de cálculo son: la deformada del revestimiento y las leyes de axiles, cortantes y flectores en el hormigón (figura 5.6), que permiten dimensionar la armadura del revestimiento. Para efectuar el cálculo es válido cualquier programa de análisis matricial de estructuras que incluya barras reticuladas planas.

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

El modelo puede ajustarse a la real~dadtanto como se desee: es posible calcular túneles de cualquier forma y con cualquier revestimiento, el límite lo fija la capacidad del programa y del ordenador. c Pueden efectuarse cálculos trid~mensionaleso bien cálculos simplif~cados bidimensionales. 3 Se pueden considerar las fases constructivas de que consta el proceso de excavación del túnel. Para el terreno existen gran variedad de comportamientos y de criterios de rotura. Asimismo, pueden modelizarse terrenos anisótropos y no Iiomogéneos. Pueden tenerse en cuenta las orientaciones reales de las diaclasas de la roca con respecto al túnel. o El único inconveniente es la elevada potencia de cálculo que se neces~tapara la mayoría de las aplicaciones, aunque hoy en día existen programas para ordenadores personales que permiten efectuar cálculos completos mediante el MEF. A continuación se exponen unas normas de tipo práctico que es conveniente seguir en las dos etapas principales de que consta el cálculo: la introducción de los datos y la obtención de los resultados. CREACIUN DE

MODELO

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

El cálculo bidimensional puede efectuarse con elementos tridimensionales, que es lo que se denomina cálculo pseudo-3D. Esto permite tener en cuenta las orientaciones reales de las diaclasas y de la esquistosidad de la roca. En el cálculo 20 hay que tener en cuenta que el problema es realmente tridimensional, y que la cercanía del frente del túnel a la sección calculada afecta a las cargas que actúan sobre el conjunto terreno-sostenimiento. Esta simplificación de 3D a 2D puede efectuarse por dos métodos: el método de distribución de tensiones y el método de la reducción de rigideces. El primero consiste en aplicar la carga total de excavación en varias etapas, de forma que sobre una sección dada, en función de su distancia al frente, actúa un cierto porcentaje de la carga total. El segundo método consiste en reducir la rigidez de los elementos del sostenimiento colocados con posterioridad, para simular el hecho de que soportan una carga menor. La malla de elementos finitos (véase figura 5.7) se elabora teniendo en cuenta varias premisas: debe adaptarse a todas las fases constructivas (otra posibilidad es crear una malla distinta para cada fase), los elementos deben ser tanto menores cuanto mayor se prevea la variación de tensiones en cada zona; el aspecto de los elementos debe ser lo más regular posible, ... El tamaño de la malla debe ser tal que, como mínimo, existan entre dos y tres diámetros de terreno en torno al túnel. Si el túnel es somero la malla debe llegar hasta la superficie del terreno. Si es posible utilizar simetrías para simplificar el problema debe hacerse, pues eso reduce notablemente el tamaño del cálculo. Las condiciones de contorno dependen de cada caso pero generalmente se coaccionan los lados laterales e inferior de la malla perpendicularmente a sí mismos (figura 5.7). Las cargas actuantes son el peso de la roca y la reacción del terreno que rodea la zona modelizada. Sólo en casos especiales se considerarán otras fuerzas: agua (si el revestimiento es impermeable), ciertas sobrecargas de uso, etc. e Dentro de las fases constructivas, siempre hay que considerar una fase O o fase inicial que reproduzca el estado tensional de la roca antes de comenzar la excavación del túnel. La estabilidad de un túnel depende en gran medida del estado tensional inicial, por lo que este dato es de suma importancia. Las características de la roca se obtendrán a partir de los ensayos de laboratorio de que se disponga pero también de la experiencia del calculista, ya que los parámetros a usar no son solamente función del terreno, sino del método y de las hipótesis de cálculo que se utilicen. Existen diversos criterios de rotura para el terreno. En muchas ocasiones es válido un cálculo elástico, mientras que en otras es necesario emplear un modelo elastoplástico o incluso un modelo viscoplástico. Los datos del criterio de rotura suelen ser en el caso más simple la cohesión y el ángulo de rozamiento interno.

O B T E N C I Ó ND E R E S U L T A D O S e LOSresultados del cálculo conviene presentarlos siempre

en forma de gráficos y tablas. Es poco útil presentar largos listados de impresora llenos de números incomprensibles, por lo que esta costumbre está tendiendo actualmente a desaparecer. Los gráficos a obtener dependerán del programa concreto que se esté usando, pero generalmente están comprendidos en tres grupos: G R Á F I C O SDE MO'dliVllENTZ)S D E L T E R R E N O . - Puede presentarse un gráfico de la malla deformada (figura 5.8) o en forma vectorial, aplicando en cada nodo un vector que señala en módulo y dirección la cuantía del movimiento en cada punto (figura 5.9). Otra posibilidad es un gráfico de isolíneas de deformación, donde se dibujan las líneas que unen los puntos de igual movimiento (figura 5.1 O), pudiendo colorearse las zonas intermedias o no. G R Á F I C O S DE TEj\l51QNES

T E R R E N O . - Se representan

habitualmente en forma de gráficos de isolíneas para cualquiera de los valores tensionales: o,, o, (figura 5.1 l ) , tensiones principales, T,,etc. Es también de utilidad representar en cada elemento la dirección y magnitud de las tensiones principales (figura 5.12). G R Á F I C O SDE TENSIONES Ehl

E L SOSTENIMIENTO.- ES conveniente obtener las leyes de axiles, cortantes y flectores (figura 5.13) en el hormigón en cada fase constructiva, y estimar a continuación la necesidad o no de armadura y dimensionar su cuantía en caso afirmativo

Movimientos verticales

Tensión vertical ( ~ y

1. AWSYS 5.0 A J A N 1.7 1 9 9 5

&:&$0&43 STEP=2 SUB =4 T 1 WE=2

tensiones principales

G i a f i co

sostenzmzento

Se comentan de forma más breve otros métodos numéricos que también se usan con cierta frecuencia, aunque son menos potentes que el Método de Elementos Finitos. M rr r 9 D O DE LAS DIFERENClAS FINITAS

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

deformaciones en torno a una excavación circular & Brown) ('oek

(BEM) se basa en discretizar el contorno de la excavación del túnel mediante unos elementos lineales, mientras que el terreno se supone elástico, homogéneo e isótropo. En cualquier punto del continuo se pueden calcular los movimientos y las tensiones inducidas por la excavación como sumatoria de las producidas por cada uno de los elementos lineales que forman el contorno del túnel, cuya expresión analítica es conocida. En "Underground Excavations in Rock" de Hoek & Brown '2', se incluye un pequeño programa que calcula mediante este método, así como unos gráficos de distribución de tensiones en torno a excavaciones de diversas formas y con diversas condiciones tensionales iniciales (figura 5.14). Se han desarrollado también formulaciones no explícitas, que permiten combinar el BEM con el MEF. En tal caso el contorno del túnel, el sostenimiento y la zona de roca más próxima a la excavación se %mula mediante Elementos Finitos, mientras que la roca más alejada, dado que se mantendrá en régimen elástico, se modeliza mediante Elementos de Contorno, Esto permite simplificar algo los cálculos efectuados unicamente con el MEF.

En el Método de 10s Elementos Discretos lo que se hace es modelizar el terreno por medio de unos bloques que están en contacto unos con otros. Estos bloques se supone que representan al macizo rocoso roto por las diversas familias de diaclasas (véase figura 5.1 5). Las ecuaciones se plantean en el movimiento de cada bloque, pudiendo éstos ser rígidos o deformables. Se resuelve para cada pequeño incremento de tiempo, pudiéndose obtener desplazamientos, velocidades y aceleraciones. El parámetro fundamental en este método es la resistencia a esfuerzo cortante de las diaclasas, que viene dado por la cohesión y el ángulo de rozamiento de la junta. Es un método que exige una gran potencia de cálculo y que sólo modeliza adecuadamente los terrenos formados por roca de buena calidad con familias de juntas bien definidas. i v s ~ i D ~ E3ifi5 ~ EF:!,/:ER!TGS GICCEF-35

(1) Sinha R.S. (Editor): "Underground Structures, Design and Instrumentation", Developments in Geotechnical Engineering, 59A, Elsevier, 1989. (2) Hoek & Brown: "Undergrounds Excavations in Rock", lnstitution of Mining and Metalurgy, 1980.

(3) Bouvard-Lecoanet A. et al: "Ouvrages Souterrains. Conception, Realisation, Entretien", Presses de I'école nationale des Ponts et C haussées, 1988. (4) Pande G.N. et al: "Numerical Methods in Rock Mechanics", John Wiley e( Sons Ltd, 1990. (5) IGME: "Sostenimiento de Excavaciones Subterráneas. Programa para el Cálculo de Curvas Características", Instituto Geológico y Minero de España, 1988. (6) AFTES-Grupo de Trabajo no 7: "L'emploi de la Méthode Convergence/confinement", AFTES, 1979.

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

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

MACI-!]HE).-Se produce la excavación de la roca a plena sección, generalmente de forma circular. La energía mecánica es generada mediante motores eléctricos y transmitida a la cabeza giratoria de la máquina en forma de un par de rotación, a través de circuitos hidráulicos. Este par de rotación, junto con el empuje proporcionado por unos cilindros hidráulicos a la cabeza de la máquina contra el frente de excavación, aportan la energía mecánica a las herramientas de corte "discos", que la transmiten a la roca a través de la superficie de contacto de los mismos.

TLii\l?ELADORA, TOPO O T B M (TL;i\?i\?EL BC)RIi\IG

El nivel de la energía liberada es capaz de producir, en primer lugar la penetración o indentación de los cortadores de disco y, en segundo lugar, el quebrantamiento por tracción y cizallamiento de la roca entre las series de cortadores concéntricos dispuestos en la cabeza de la máquina. La excavación de la roca se produce en forma de lajas o chips de roca de un tamaño superior al producido con rozadoras. !MARTILLO H I D R A ~ L I C G . -Máquina de ataque puntual; la energía se genera mediante

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

FUNDAi\REi~TOSDEL WIÉTODO

Como ya hemos señalado anteriormente, la excavación mediante perforación y voladura es el sistema más utilizado para la excavación de túneles en roca. Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo característico de este sistema son las siguientes: Replanteo en el frente del esquema de tiro Perforación de los taladros Carga de los taladros con explosivo (barrenos) 0 Voladura y ventilación e Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales. El esquema de tiro es la disposición en el frente del túnel de los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno. En la figura 6.1 se muestra un esquema de tiro correspondiente al avance de un túnel típico excavado en dos fases. El esquema de tiro se diseña al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas recogidas en los manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavación del túnel, se irá ajustando en función de los resultados obtenidos en cada voladura. En la figura 6 . 2 se observa una hoja resumen con los datos de una voladura en un frente de túnel. 4 2 S + . 2 4a 6 1 0 Los esquemas indicados se refieren al

. . . .

1

0

6

. .

avance o primera fase constructiva del t ú n e l . Para las siguientes fases (destroza), existe la posibilidad de perforar el frente, con taladros horizontales, o en banco y con taladros

verticales, del mismo modo que en las voladuras en banco en el exterior. TIPO : lvllCRO RETARDOS DE A. I (figura 6.3). tvllCRO It\!STANTE DE INTERVALO La voladura de la destroza con barrenos RETARDOS DETONACION ENTRE DOS SUCESIVOS horizontales, tiene la ventaja de que se utiliza la misma maquinaria y sistemática de trabajo que para la fase de avance y además, puede recortarse con la voladura la forma teórica del túnel. Por otro lado, la vol~duraen banco es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no TIPO DE CARGA N" DE CARGA Y, L = 4 . 2 - 4 TALADRO (kg) TALADROS TOTAL (kg) necesita de la retirada del escombro en cada voladura, pero necesita un recorte posterior para conseguir el perfil del CUELE 2,9A 10 29.4 túnel en los hastiales. VACIO 2 Los taladros deben de tener una DESTROZA 4,2 38 1595 longitud un 5-10 % superior a la ZAPATERA 4,2 15 63 distancia que se quiera avanzar con la TOTAL CARGA EXPLOSIVA (kg) pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que DATOS DE TALADROS, CARGA Y EXCAVACION impiden aprovechar al máximo la AREA EXCAVADA 47.5 m ' LOhlG TOTAL PERFORADA 436.8 m longitud de los taladros. Las longitudes 4,2 m TALADROS CARGADOS 50.8 mm AVAi\KE COblSEGUIDo de avance típicas están comprendidas VOLUMEN EACNADO 199,5 m ' TALADROS \/ACIOS 89 nim entre 1 y 4 metros y se fijan en función DENSIDAD D t TALADROS 2,19 m /m ' de la calidad de la roca: cuanto mejor es 'ol ud CARGA MAX DLTONADOR 25,2 C g, 1.42 kg/m3 4.2 m DENSIDAD DE CARGA LONG PERFORACION la calidad del terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de calidad media-buena es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para avanzar entre Z,80y 3,20 metros en cada voladura. Los gráficos de la figura 6.4 y figura 6.5, obtenidos de la experiencia en la excavación de un gran número de túneles, permiten estimar aproximadamente el número de taladros y el consumo de explosivos necesarios en función de la sección de excavación, la longitud de avance y la calidad de la roca. Los taladros de un esquema FRONTAL de tiro típico se disparan con cierto desfase (microretardo ó retardo) entre ellos, con objeto de hacer más efectiva la voladura. En la figura 6.1 aparece, junto a cada taladro, un número que indica el EN BANCO orden en que son disparados. En función de dicho orden se distinguen cuatro zonas dentro de un esquema de t i r o , y cada una tiene un tratamiento diferente (véase figura 6.6): DETALLE DEL CUELE

DATOS DE LOS DETONADORES

1 1

/

1

'

m

11 esci-iución del

/

de explosivo

1

"

Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforación, como de carga específica de explosivo y secuencia de encendido son distintas. Estas zonas son: Cuele e Contracuele e Destroza e Zapateras

SECCION DE EXCAVACION( mz)

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

a

'

9

o

k

W

l l

transversal. A continuación se definen las características de estas zonas:

~

C G E L E - El cuele es la fase de la voladura

'

l

l

I

60

/O

que se d ~ s p a r aen primer lugar. Su final~dades crear una primera abertura en la roca que ofrezca al resto de las 2 SECCION DE EXCAVACION ( m?) fases una superficie libre hacia la que pueda escapar la roca, con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda la más importante de todas las fases de la voladura de un túnel en relación con el avance de la voladura. Existen distintos tipos de cuele (figura 6.7). Los cueles en V y en abanico facilitan la salida de la roca hacia el exterior, pero tienen el inconveniente de que los taladros forman u11 ángulo con respecto al eje del túnel, por lo que su correcta perforación tiene una mayor dificultad y exige variar el esquema de perforación para cada l o n g ~ t u dde avance. En túneles de secciones de excavación reducidas estos cueles no permiten grandes avances por voladura. El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un taladro vacío (barreno de expansión), sin explosivos, de mayor diámetro que el resto (75 a 102 mm) y, a su alrededor, tres o cuatro secciones de taladros cargados que e x p l o t a n sucesivamente siguiendo una secuencia preestablecida. La misión del barreno de expansión es la de ofrecer una superficie libre que evite el confinamiento de la roca de m o d o que f a c i l i t e su arranque. Su diámetro varía entre 100 y 300 milímetros. En ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 A : CUELE C : ZAPATERA mm). " W l

~ ú n z e r oespecificol de trllrldros 1

Zonas de esquema de tiro

c Fadmenre disgregable

l

10

20

30

40

50

1

/

AA : CONTRACUELE

1

1 D:

CONTORNO

1

80

90

100

cisii>,ozk.-La destroza es la parte central y más amplia de la voladura, cuya ef~caciadepende fundamentalmente del éxito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura. La zapatera es la zona de la voladura sltuada en la base del frente, a ras de suelo. Los taladros extremos suelen ir u n poco abiertos í l p i n ~ h a d ~hacia ~ l f fuera con objeto de dejar sitio suficiente para la perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar ésta hacia arriba. Para evitar repiés, van ligeramente "pinchados" hacia abajo y son disparados en último lugar.

7

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

MAQUINARIADE PERFORACIÓNLa perforación de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire comprimido, y el segundo es mediante martillos hidráulicos montados sobre una maquina automóvil denominada jumbo.

P

i\/iARTiiLOS MANUALES.LOSmartillos manuales de aire comprimido funcionan a percusión, es decir, la barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del taladro. El detritus es arrastrado hasta el exterior del taladro mediante agua, que tiene también la finalidacl de refrigerar la barrena. Los martillos manuales son actualmente de uso infrecuente, sólo se usan, obviamente, en túneles muy pequetios o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a los jumbos y requieren mucha mano de obra.

~ u ~ ~ oLasmaquina . habitual de perforación es el jumbo (véase figura 6.10). Consta de una carrocería automóvil dotada de dos o tres brazos articulados, según 6 bar los modelos. En cada brazo puede montarse un martillo de perforación (perforadora) o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. El PRESIOI\J DE EMPUJE ( id ) funcionamiento de los jumbos PLB 23 CWI es eléctrico cuando están PLB 29 c w i estacionados en situación de trabajo y pueden disponer también de un motor Diesel para el desplazamiento. Los martillos funcionan a rotopercusión, es decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidráulico, con lo que se consiguen potencias mucho más elevadas que con el sistema neumático. El arrastre del detritus y la refrigeración se consiguen igualmente con agua. Los rendimientos de perforación que se consiguen en los jumbos hidráulicos modernos, pueden superar los 3,5 mlmin. de velocidad instantánea de perforación. Los jumbos actuales tienen sistemas electrónicos para controlar la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de rotación de los martillos e incluso pueden

(1) Cable de alimentación eléctrica (380V a 550V) (2) Sistema de iluminación (3) Motor Diesel para desplazamiento por el túnel (4) Puesto de conducción para el desplazamiento (5) Tanque principal de fluido hidráulico (6) Bomba hidráulica (7) Motor eléctrico para la perforación

(8) Gatos para estacionamiento de la máquina (9), (lo), (11) y (12): Puesto de mando para la perforación (13) Techo de protección (14) Brazo hidráulico (15) Deslizadera del martillo hidráulico (1 6) Martillo hidráulico (17) Cesta o plataforma de trabajo

memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros automáticamente. En este caso un único maquinista puede perforar una pega completa en unas pocas horas. En la tabla 6.1 se indican las marcas y modelos de jumbos más conocidos actualmente en el mercado. A C C E S G R Í O S B E P E R F O R A C ~ ~ F LOS ~.-

accesorios de perforación comúnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforación. Además se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las piezas. Las barrenas de perforación son simp l e m e n t e barras de acero c o n u n conducto interior para el paso del agua de refrigeración y unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos. La boca de perforación es la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido (carburo de tungsteno) o widia, dispuesto en formas diversas: en cruz, en X o botones (véase figura 6.1 1 ) . Los diámetros habituales están comprendidos entre 45 y 102 milímetros.

La elección de un tipo LI otro de boca, así como de sus diámetros, depende del t i p o de maquinaria de perforación, de las características de la roca y del diámetro de los cartuchos del explosivo a introducir. Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan u11mayor rendimiento, al golpear la roca de forma más homogénea y ser más fácil la evacuación del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer varias entradas de agua frontales y también laterales. Para la elección del material de perforación y sus accesorios se recomienda el uso de los manuales especializados facilitados por los fa bricantes.

Bnvena y bocas de perj%aciólz (Cortesh. A t h Copo)

En la tabla 6.2 se resumen las principales marcas comerciales de explosivos fabricadas en España y se incluyen sus características principales. Los tipos de explosivo que deben utilizarse en túneles dependen de las características de la roca, principalmente de su densidad, resistencia a compresión y velocidad de propagación sónica de la roca. Además los explosivos, durante la detonación, deben generar gases no tóx~cos,lo que limita el tipo de explosivos en interior. El tipo de explosivo también depende del grado de humedad existente en la roca. El explosivo más utilizado para el cuele y contracuele, destroza y zapateras, es la GOMA-2 E-C o RIOMEA E20140; como carga de columna NAGOLITA, AMONITA 2-Y O EMUNEX 3000; cuando los barrenos dati agua deberá usarse el EMUNEX 6000-8000. Para los barrenos de contorno deberá usarse como carga de columna el RIOGUR F o cordón detonante de alto gramaje. El diámetro de los cartuchos deberá ser lo más próximo al diámetro de perforación de los taladros, compatible con su introducción dentro del barreno. La iniciación de la explosión en cada barreno se realiza en el cartucho cebo ~nstaladoen el fondo del barreno y que contiene un detonador. La iniciación de los detonadores puede ser eléctrica o por impacto; en el primer caso se utilizan detonadores eléctricos. Por razones de seguridad, contra corr~entesparásitas, se utilizan exclusivamente detonadores de alta insensibilidad (Al). Una mayor seguridad ofrecen los detonadores de iniciación no eléctrica, tipo Nonel, cuyo uso sería especialmente aconsejable. Atendiendo a los tiempos de retardo, los detonadores pueden ser: instantáneos, de microretardo (retardo de 25 ó 30 mseg. entre números contíguos), o de retardo (retardo de 0,5 seg. entre números contíguos). El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son los siguientes: E / >*;SC - i ; ;:-S

5~:~::

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

E A P L O S O R . -Es el mecanismo que produce la corriente eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen estar basados en un condensador que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra el circuito manual o automáticamente. C A B L E S . -LOScables

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

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

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

Esta expresión se utiliza normalmente de forma experimental, pues los coeficientes a, P y K varían con el terreno, geometría, etc. Para determinarlos se efectúan una serie de voladuras de prueba y mediante un sismógrafo se mide V para varias distancias y cargas de explosivo conocidas. Posteriormente se interpola una expresión por mínimos cuadrados que se ajuste lo mejor posible a las medidas efectuadas, y de esa expresión se obtienen los coeficientes a, p y K. Los daños que se producen en los edificios a causa de las voladuras están tabulados según diversos autores en función de la velocidad de partícula y del tipo o estado del edificio. En la figura 6.12 se incluye un resumen de diversos criterios. En general se considera que por debajo de 5-10 mm/sg no hay nunca daños y que por encima de 100200 mm/sg los daños son considerables. Para un estudio detallado de las vibraciones producidas por las voladuras en túneles debe consultarse la bibliografía especializada '4','6'Y!7'

OHz

THOENEN AND WINDES (1942)

ACELERACION 100Hz SEGURIDAD

PRECAUCION

/

-f

CRANDEL (1 949)

DANOS

OHz PRECAUCION PROPIEDAD RESIDENCIAL

AMPLITUD

PRECAUCIOP! ESTRUCTURAS DE

100Hz PRECAUCION PEQUENOS DANOS AGRlETAYlENTO

SEGURIDAD

I

1

I

I

i- 1

8

8

l

8

1

1 1

1

PEQUENOS DANOS (SUPEAFICIA!ESI

SEGURIDAD

LANGEFORS ET AL (1 958)

FUERTE AGRIETAl~!llENTO

,

1 EDWARDS Y NORTHWOOD (1 960)

GRANDESDANOS

MENOS DEL 50%

DUVAL Y FORGELSON (1 962)

DANOS

SEGURIDAD

l

OHz

TUNELES

PRECAUCI0I.I l

I

l

I

DVORAK (1 962)

GRANDES DANOS l

l

i

1 CAIDA DE PIEDRAS

SEGURIDAD

LANGEFORS (1 963)

AGRlETAbllENTO DE ROCA

l

I

l

i

l

l

l

i l

I DEVINE (1 966) STANDARDS ASSOCIATION OF AUSTRALIA (1967)

OHz 15Hz

PRECAUCION SEGURIDAD

PEQUENOS DANOS

l

TIPO DE VIBRACION NO ESPEClFlCADA (20Hz)

SEGURIDAD

l

Criterios de da6os en voladuras

1

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I

I

I

-l

I

l

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/

l

I I

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

GRANDES DANOS

l

DANOS Y DESTRUCCION DE ELEiviENTOS SOPORTES

1

1

1

1

l

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BRlTlSH STANDARDS (1 970)

2,5 Vc (m / s) EDlFlClO BUENA CALIDAD

4500 3000 1500

EDlFlClO CALIDAD MEDIA

4500 3000 1500

EDlFlClO MALA CALIDAD

4500 3000 1500

5

10

15 2 0 2 5

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100

200

DANOS

SEGURIDAD

I

I

I

I

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l

SEGURIDAD

1

500 mm/sg

I

DANOS

1

SEGURIDAD

l

l

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1

1

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DANOS

I

ESTRUCTURA RESISTENTE

l AFTES (1975)

I

I

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I

SEGURIDAD

GASEODUCTO, ALCANTARILLADO

EDlFlClO CALIDAD

SEGURIDAD

MEDIA

EDlFlClO MALA

DANOS

SEGURIDAD

DANOS

CALIDAD

EDlFlClO MALA

SEGURIDAD

CALIDAD

.- - - ARTISTICOS. hOSPITALES EDIFICIOS OE CONSiRUCClOii

CONSTRUCCIONES CORRIENTES 1

I

1

000-2000
DEFICIENTE

1

>2000 1 1000-2000
DANOS

SEGURIDAD

SEGURIDAD

>2000 1000-2000 SEGURIDAD
1 /

DANOS

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l

I

I

I

1

l

l

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I l

DANOS

l

EDIFICIOS EN MUY BUENAS CONDICIONES Y BIEN ARRIOSTRADOS

I

I

I

SEGURIDAD

l

DANOS

l ESTRUCTURASRESIDENCIALES NUEVAS EN BUEN ESTADO DE CONSTRUCCION

ESTEVES (1978)

DANOS

SEGURIDAD

l

l l

l

DANOS

CHAE (1978) ESTRUCTURAS RESIDENCIALES ANTIGUAS EN MAL ESTADO

SEGURIDAD

DANOS

1

l

ESTRUCTURAS RESIDENCIALES EN MUY MAL ESTADO DE CONSTRUCCION

l

SEGURIDAD

DANOS

l

I

I

1

l

I I

I

1

CLASE l

WISS (1981)

CLASE ll SEGURIDAD

CLASE III

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DANOS 1

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SEGURIDAD

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NEW SWlS STANDARD PARA VIBRACIONES EN EDIFICIOS

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500 mmlsg

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

-

4 Hz

PARED PREFABRICADA

SEGURIDAD

DANOS 4

10 Hz

TABIQUE TRADICIONAL

1 1

,

USBM (1982)

VELOCIDAD MAXIMA DE PARTICULA (rnrn 1 s )

DIN 41 50 (1 983)

SEGURIDAD

100 Hz

DANOS

1 NORMA DIN 41 50 (v RESULTANTE) TlPO I : EDIFICIO PUBLICO O INDUSTRIAL TlPO II : EDIFICIOS DE VIVIENDAS O ASlMlLABLES A VIVIENDAS. EDIFICIOS CON REVOCO8 Y ENLUCIDOS TlPO III : EDIFICIOS HISTORICO-ARTISTICOS O QUE POR SU CONSTRUCCION SON SENSIBLES A LAS VIBRACIONES Y NO ENTRAN EN LOS GRUPOS l Y ll

SEGURIDAD

10 Hz

(igss) EDIFICIOS ANTIGUOS E HlSTORlCOS

DANOS

1 1

5 ~ E " i ;"i3S i DE CP,?"; En la excavac~ónmecán~case util~za in distintas herramientas o út~lesde corte, que son los elementos que impactan sobre la roca y arranca n de ella pequeños fragmentos. Algunos de los útilies de corte pueden verse en esquema en figura 6.13: e Picas de fricción (o de desgaste). Cortadoras de disco Cortadoras de ruedas dentadas e Cortadora de botones e lmpactadores o Cortadores vibrantes Q

PICA DE DESGASTE

RUEDA DENTADA

n

CORTADOR DE DISCO

m

IMPACTADOR

Útiles de excavación mechica

m

CORTADOR DE BOTONES

Las picas de fricción son el elemento de corte utilizado por las rozadoras y por algunas tuneladoras de terrenos blandos. Básicamente constan de un inserto de metal duro (Widia) dentro de una matriz de acero de alta dureza y tenacidad (figura 6.14). El campo óptimo de utilización de las picas está dentro de las rocas que no superan los 800 I

0 20 - 30 mm.

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Esquema de mdquina topo (Cortesia WIRTH)

5 732;

Las máquinas topo, tuneladoras o TBM (Tunnel Boring Machine) son máquinas integrales de construcción de túneles, por cuanto son capaces por sí solas de excavar la roca, retirar el escombro y aplicar el revestimiento del túnel. La máquina va avanzando dejando detrás de sí el túnel terminado. En la figura 6.16 (b) se observa el esquema de un topo. Consta de una cabeza de corte giratoria de forma circular donde van alojados los discos cortadores. Detrás de la cabeza se encuentra un sistema formado por gatos que presionando sobre el terreno y sobre la cabeza ejercen en ésta la presión necesaria para la excavación de la roca. El escombro se carga automáticamente en el frente y se conduce hacia atrás mediante una cinta transportadora, que lo deposita en unas vagonetas para su traslado al exterior. También pueden existir sistemas adicionales de colocación de bulones, de cerchas y de hormigonado. Los topos también pueden tener sistemas para colocación de railes sobre los que circulan las vagonetas y una plataforma donde va alojado todo el sistema de control, guiado y suministro de energía. En definitiva, el topo consta de todos los elementos necesarios para completar el túnel, montados uno tras otro y actuando de forma sucesiva . En la tabla 6.3 se han resumido los principales fabricantes de topos del Mundo. ~ , ! - Q ~ J :,L ,

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IROZASORAS~

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

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

Sistemd de corte

Picas &fricción (Cortesía Kennametal)

helicoidal y golpean a la roca de forma lateral. Ambos sistemas proporcionan resultados similares, por lo que n o se puede considerar que uno sea mejor que el otro, si bien a igualdad de potencia de la cabeza de corte y para una roca de dureza determinada, el rendimiento de excavación de las rozadoras de cabezal frontal es un 3 0 % superior al de las C - m E m RADIAL rozadoras con cabezal radial. Por otra parte, también existen varios sistemas de carga del escombro: mediante brazos recolectores, mediante mesa recolectora, paletas, cinta transportadora acoplada al brazo, etc. Las picas son de dimensiones y formas distintas según los usos (figura 6.19). Cada fabricante proporciona unos criterios de uso de sus picas, que también han de comprobarse sobre el terreno hasta elegir el t i p o más adecuado. Generalmente se usan picas U 40 KHD delgadas y estrechas para suelos y rocas blandas y picas gruesas de f o r m a f u s i f o r m e para las rocas más duras. Las rozadoras se clasifican por su peso, dado que la fuerza que ejerce la cabeza contra la roca es contrarrestada únicamente por el peso de la máquina. De este modo, a mayor peso mayor será la capacidad de la rozadora para excavar rocas más resistentes, y por tanto irá dotada de mayor potencia de corte. En la tabla 6.4. se expone una clasificación de rozadoras en c u a t r o grupos según su peso y potencia Los principales fabricantes mundiales de rozadoras se relacionan en la tabla 6.5.

'".

Ma~~iiLH c >I D R Á U ~ I C El O martillo hidráulico montado sobre una retroexcavadora ordinaria de cadenas tiene una importante utilidad cuando se trata de excavar rocas blandas o fisuradas en las fases de destroza, donde compite ventajosamente con los otros métodos más potentes. En la fase de avance no debe emplearse, pues este sistema necesita al menos dos caras libres de salida de la roca para lograr un rendimiento adecuado. Las ventajas principales son el bajo coste-, necesidad de pocos operarios, y una mayor producción, movilidad y flexibilidad. Hoy en día existen sistemas automáticos que ajustan la fuerza y la cadencia de los golpes en función de la resistencia que presenta el terreno, con lo que se Martillo 7, consiguen rendimientos muy \ elevados. Brazo hidraul~co También se montan martillos Cinta transportadora Puesto de mando sobre excavadoras-cargadoras provistas de un sistema de evacuación de escombros (fig. 6.20). Puede usarse un cazo, como F g ~ d de a escombros elemento excavador alternativo al martillo para rocas muy blandas o suelos

1

extracción del escombro reduce el tiempo de los ciclos de trabajo y el coste de la excavación de un túnel. Esto es así porque en una excavación subterránea se dispone siempre de poco espacio y además el acceso al frente de excavación es muy restringido (únicamente a lo largo del túnel ya excavado). Es fundamental, pues, quitar el escombro rápidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, sacándolo al exterior para que no dificulte el movimiento de máquinas y materiales por el túnel. El sistema a emplear dependerá de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la longitud de transporte. En túneles de carretera las secciones de excavación son grandes (entre 80 y 1 1 0 m2 por lo general), con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante maquinaria sobre neumáticos. Los métodos más usuales, en función de la distancia de transporte, son los siguientes: P A L A S C A R G A D O R A S D E P E R F I L B A J O . - Para distancias cortas (inferiores a unos 500

metros) y túneles de pequeña y mediana sección, se utiliza una pala con un cazo de gran capacidad (3m3) que carga el escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es

necesario girar la máquina ya que el maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias más largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros. PALA CARGADORA + C A P A I ~ DUMPER.N

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

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

VAGONETAS SOBRE

de excavación a emplear en un determinado túnel se manejan varios criterios, algunos de índole técnica y otros económica. A continuación se muestran los aspectos que se tienen en cuenta en cada uno de ellos. Por supuesto, cada caso concreto puede tener condicionantes de otro tipo que obliguen a una determinada solución. RESlSTEEidCIA D E I TERREP4O.-

Cuando la roca tiene una alta resistencia es obligado emplear la excavación mediante explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse indistintamente la voladura o la excavación mecánica. La figura 6.21 muestra un criterio generalmente aceptado de excavabilidad mecánica de l as rocas e n f u n c i ó n d e S u Resistencia a Compresión Simple y de su RQD"'

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excavabilidad mecánica (Romdmz1993)

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ROCA ALTA

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ROCA 1 IAUY ALTA

DE Lf?, ROCA.-Una alta abrasividad de la roca hace inviable la excavación mecánica, principalmente con rozadora. La tabla 6.6 muestra las condiciones de la excavación mecánica en función del Contenido Equivalente de Cuarzo (CEC) de la roca '5'. El CEC se obtiene a partir de la composición mineralógica de la roca y aplicando a cada mineral el factor que figura en tabla 6.7. Existen ensayos de laboratorio, como el ensayo Cerchar, que determinan la abrasividad de una roca. ,4BPAsiVIDAs;

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

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

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

VIBRACIONES.-

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

e

o

e

Un túnel de una dimensión menor da menos problemas en cuanto a la estabilidad del terreno que otro con mayor dimensión. Por lo tanto, si se excava una primera fase de reducidas dimensiones, los problemas que puede dar la roca serán menores y más fáciles de solucionar. Además, a la hora de excavar las restantes fases, ya se habrán localizado todas las zonas de mala calidad del macizo rocoso, por lo que se podrán poner los medios adecuados para atravesarlas. El alcance de la maquinaria normal (palas, jumbos, rozadoras) está limitado a unos 6-8 metros de altura, aunque existen modelos especiales que alcanzan mayores dimensiones. El excavar secciones de más altura dificultaría enormemente las labores de excavación y, sobre todo, de sostenimiento: gunitado, colocación de cerchas, bulonado, etc. Mediante la excavación por fases pueden conseguirse mayores rendimientos, ya que distintos equipos pueden trabajar simultáneamente en fases distintas a una cierta distancia, logrando avances superiores a los que se conseguirían a sección completa. Cuando la calidad de la roca no es suficientemente buena, no es posible

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

A - Terreno buena calidad

Fases de excavación de zm tziízel

I : Avance II : Destroza Central 111 : Destroza Bataches laterales

B - Terreno mala calidad

8-12m I : Avance II : Destroza Central 111 : Bataches laterales IV : Contrabóveda

C

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

Fases de excavación de urza caverna

A - Terreno buena calidad

B - Terreno mala calidad

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

I : Galerias laterales II : Avance 111 : Destroza

(1) Cornejo, L.: " Excavación Mecánica de Túneles", Ed. Rueda, 1988. (2) Sinha R.S. (Editor): " Underground Structures. Design and Construction", Elsevier, 1991.

(3) Edwards J.T. (Editor): " Civil Engineering f o r Underground Rail Transport", Butterworths. (4) I.T.G.E.: "Manual de perforación y voladura de rocas", Instituto Tecnológico Geominero de España, 1994. (5) Romana M . : "Clasificación de macizos rocosos para la excavación mecánica de túneles", 1993. (6) Laugefors- Kihlstrom: "Voladura de rocas", Ediciones URMO, 1968.

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

Desde la antiguedad el hombre ha realizado excavaciones subterráneas, principalmente ligadas a actividades mineras. Estas actividades han permitido experimentar y conocer el comportamiento del medio rocoso cuando se realizan excavaciones en su interior. Esta experiencia secular ha propiciado el análisis de los comportamientos de las rocas y el desarrollo de técnicas de construcción eficaces para asegurar la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En épocas recientes, las técnicas de construcción de trabajos subterráneos han experimentado principalmente en la Europa Central (Alemania y Austria) un notable desarrollo con la proliferación de métodos de construcción, Alemán, Belga, Austríaco ... Simultáneamente ha ido cristalizando una tecnología propia de los trabajos en subterráneo, con la contribución inestimable de ciencias como la geología, la mecánica de rocas y la resistencia de materiales. Modernamente, a partir de los años 60, el profesor austriaco Rabcewicz supo explicitar con una mayor claridad y sintetizar, en unos pocos principios, lo que comunmente se llama Nuevo Método Austriaco (NMA), la experiencia acumulada durante siglos en los trabajos subterráneos. Realmente, aunque fue objeto de patente en su día como método de construcción, el NMA no es un método propiamente dicho, sino una filosofía que permite ejercitar acciones eficaces para contribuir a la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En realidad, los principios enunciados por el profesor Rabcewicz son de posible cumplimiento con cualquiera de las técnicas constructivas modernas de las obras subterráneas, en las que predominan la utilización de nuevos elementos estructurales en el sostenimiento y revestimiento, de técnicas de mejora del terreno y la aplicación creciente de una maquinaria de alta tecnología y una gran especialización, como las máquinas de excavación mecánica de túneles (máquinas TBM, escudos, rozadoras), las técnicas que permiten cualquier tipo de inyección previa de los terrenos, la congelación de terrenos con presencia de agua, ... En esencia, las ideas fundamentales enunciadas por el profesor Rabcewicz son las siguientes: O

Q

La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el principal elemento del que depende ésta. Es decir, es la propia roca la que se autosostiene, ya que se forma un arco de descarga en torno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados de éste. Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las características de la roca que rodea al túnel. Para ello es beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o, en su defecto, técnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte, ... Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea al túnel, se deben diseñar los túneles con formas redondeadas, evitando los puntos angulosos. El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno,

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siempre dentro de la estabilidad del túnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la excavación. o En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que aporta la instrumentación del túnel. o Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al túnel. Más adelante, en función de otros factores, tales como presencia de agua u otros factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado.

Dado que, como se ha indicado más arriba, el anillo de roca que rodea al túnel es el principal elemento que proporciona estabilidad a la excavación, el sostenimiento tendrá como primera misión evitar que el terreno pierda propiedades por efecto del proceso constructivo, o incluso que las mejore. Solamente en segundo lugar se sitúa la capacidad resistente por sí misma del sostenimiento, que es muy pequeña comparada con las grandes tensiones que pueden existir en el interior de los macizos rocosos, debido al enorme peso de las coberteras de roca habituales. Los elementos generalmente usados para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas en roca son dos: El hormigón proyectado, en masa o armado e Los bulones Además de estos dos elementos se usan otros en algunas circunstancias, especialmente cuando se trata de atravesar zonas de roca de mala calidad: las cerchas metálicas, los paraguas o enfilajes, chapas tipo Bernold, otros tratamientos especiales: inyecciones, drenajes, etc.. . En los capítulos que siguen se detallarán de forma minuciosa las características, posibilidades, aplicaciones y limitaciones de cada elemento. A continuación, de forma resumida, se señalan las acciones más importantes de cada uno de los elementos estructurales del sostenimiento de los túneles: El hormigón proyectado tiene dos efectos principales: Sella la superficie de la roca, cerrando las juntas, evitando la decompresión y la alteración de la roca. De este modo el terreno puede mantener, en una mayor medida, sus características iniciales. e El anillo de hormigón proyectado desarrolla una resistencia y puede trabajar como lámina, resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse. También resiste la carga puntual ejercida por pequeñas cuñas o bloques de roca que descansan sobre la capa de hormigón. HORMIGÓN PROYECTAD0.-

LOSbulones tienen igualmente dos efectos básicos sobre la roca: El bulonado cose las juntas de la roca, impidiendo que cuñas y bloques puedan deslizar a favor de las fracturas. Generalmente la rotura de un macizo rocoso se produce siempre a favor de las juntas. e Por otra parte, el bulonado tiene un efecto de confinamiento de la roca, actuando del mismo modo que las armaduras lo hacen dentro del hormigón. Gracias a este efecto se consiguen absorber las tracciones que aparecen en el terreno, e impedir la formación de zonas decomprimidas. BULONES.-

C E R C H A SLa . - cercha tiene una función resistente trabajando como un arco y colaborando con el hormigón proyectado. Tiene la ventaja sobre éste que su resistencia inicial ya es la definitiva, mientras que en el hormigón las resistencias se desarrollan con el tiempo. Otra función de las cerchas es definir claramente la geometría del túnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormigón proyectado y a evitar sobreexcavaciones o zonas dentro de gálibo. PARAGUAS.LOSparaguas o enfilajes son elementos lineales de refuerzo previo colocados paralelamente al túnel por delante del frente y situados por encima de la línea de excavación. Mediante la acción de los paraguas, se puede conseguir atravesar una zona de mala calidad de roca sin que se produzcan desprendimientos en clave. CHAPAS BERNOLD.Este tipo

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

T R , ~ , T A N I I E ~ Y - ~EOSSP E C I A L E S . - LOStratamientos especiales son de muchos tipos, y se

utilizan para atravesar zonas de mala calidad del terreno. Entre los principales están los siguientes: drenajes del frente, machones en el frente, inyecciones convencionales, inyecciones mediante jet-grouting, anclajes tensados, congelación, bulonado del frente, etc.

1-

1-

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

LOSmateriales de que consta el hormigón proyectado son los siguientes: Cemento O Aridos Agua Aditivos: acelerantes, etc. Armadura de refuerzo: mallazo o fibra. A continuación se analiza detalladamente cada uno de ellos excepto la armadura de refuerzo, que merece un capítulo aparte. El cemento que se emplea para el hormigón proyectado puede ser el mismo CEMENTO.que cualquiera de los que se usan para el hormigón convencional. Se deben cumplir las especificaciones del Pliego de Prescripciones Técnicas RC-88'7', pero además se recomienda cumplir las siguientes características "':

1

1

Principio de fraguado: 1.5 a 4 horas. Finura de molido: 3500 a 4500 cmzlg. e Resistencia a Compresión Simple, según la tabla 7.1. Contenido en aluminato tricálcico: <3%, si el contenido en sulfatos del agua es >400 mgll, o tan bajo como sea posible, si es mayor de 1000 mgll. Temperatura de almacenamiento: ~ 7 0 ° C . El contenido típico de cemento oscila entre los 300 y los 450 KgIm3, mayor cuanto menor es el tamaño del árido y mayores resistencias se quieren alcanzar. g

0

O

ÁRIDOS.- Se

Huso p-anuloínétrico pam Taman'o fMdxinzo 16 írznz.

seguirán las recomendaciones generales de la Instrucción de Hormigón EH-91@),limitando el tamaño máximo del árido a 8 mm en hormigón por vía húmeda y 16 mm (recomendable 12 mm) para el hormigón por vía seca. Actualmente la tendencia es no superar los 8-10 mm. tamaño máximo del árido. Experimentalmente se comprueba que las características del hormigón proyectado mejoran si se consigue una granulometría de áridos continua. Se han establecido unos husos granulométricos dentro de los cuáles es recomendable encajar la granulometria para lograr un hormigón óptimo. Las distintas normativas nacionales ofrecen husos similares (DIN1045 alemana, AFTES francesa, Comité 506 de la ACI (USA)), de los que se han extraído los que se muestran en la tabla 7.2 y en las figuras 7.1, 7.2 y 7.3., para los casos de 16mm, 12mm y 8mm, respectivamente, de tamaño máximo del árido. Para otros valores puede interpolarse linealmente entre los husos dados. TAMIZ (mm)

Huso g a n zdo~nétrico para Taman'o Mhcinzo 12 mm.

TAMIZ (mm)

Huso granulométrico para Tumaiio Máximo 8 nzm.

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

ADITIVOS.LOS principales aditivos que pueden usarse en el hormigón proyectado son los acelerantes, las cenizas volantes y el humo de sílice. Los acelerantes son productos químicos (silicatos, aluminatos, carbonatos, hidróxidos, cloruros, etc.) que hacen que el cemento reaccione más rápidamente, con lo que se consiguen altas resistencias iniciales. Como inconveniente se observa una reducción de la resistencia final, a largo plazo, del hormigón. Dado que existen muchos tipos de acelerantes, debe buscarse uno que sea compatible con el cemento utilizado, y tantear la cantidad de acelerante óptima, suficiente para lograr una alta resistencia inicial pero que no reduzca demasiado la resistencia final. En el hormigón proyectado, debido a su procedimiento de puesta en obra, así como a la necesidad de que desarrolle resistencia de forma rápida, es indispensable el uso de acelerantes. El acelerante se puede suministrar en polvo o Iíquido. En este ú l t i m o caso se puede dosificar con mayor precisión siendo la acción del acelerante más eficaz. Los contenidos máximos recomendados (relación acelerante / cemento) son: 10% para polvo y 8% para Iíquido. Con los acelerantes líquidos se elimina el ambiente agresivo en el frente de trabajo, originado por las partículas del acelerante en polvo en suspensión en el aire. Los contenidos recomendables según diversos casos son los indicados en la tabla 7.3"':

ACELERANTES:

CENIZAS VOLANTES: La adición de cenizas volantes al cemento normalmente mejora la adherencia a la superficie de roca y la resistencia a largo plazo. Se recomiendan los valores indicados en la tabla 7.4"). HUMO DE S~LICE, O MICROSILICE: La adición de Si02 al hormigón tiene varias ventajas: reduce el polvo, reduce el rechazo, mejora la adhesión y la resistencia. Debe comprobarse, no obstante, la compatibilidad con el acelerante. Necesita, para un uso adecuado, de una buena distribución en la mezcla. En cuanto a sus características, se recomiendan los valores que se muestran en la tabla 7.5:

IPUESTA

1

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

V ~ ASECA.-En

Gunitadonz por vía seca (Cortesía

ALíVA)

Guízitado por vía seca

la figura 7.4 se muestra una gunitadora típica por vía seca. El proceso es como sigue (figura 7.5): la mezcla de cemento, áridos, aditivos en polvo y fibras, si existen, se va echando en la tolva de la gunitadora. Allí se agita y alimenta un rotor alveolar que gira en torno a un eje vertical. Cuando un determinado compartimento alcanza una cierta posición, el aire comprimido pro-cedente de un compresor empuja la mezcla a través del conducto de transporte y proyección (tubería y manguera de proyección). En la boquilla de la manguera se añade el agua y los aditivos Iíquidos disueltos en ésta, que llegan a presión e--AGUA por otra manguera. La mezcla de cemento, áridos y agua se produce en e----MEZCLA SECA la boquilla de la manguera. El operario que está gunitando porta la manguera de la mezcla y gradúa manualmente la entrada de agua, en función de la consistencia que aprecia 1 - TOLVA DE ALIMENTACION en el hormigón resultante. Por este 2 - AGITADOR motivo el hormigón proyectado por 3 - AlRE COMPRIMIDO 4 - SALIDA DEL MATERIAL vía seca resulta bastante sensible a la 5 - EJE DE TRASMISION habilidad y experiencia del operario. 6 - AlRE COMPRIMIDO V ~ AH U F \ A E D A . - E l gunitado por vía húmeda es un proceso muy similar al Gunitado por vía húmeda

bombeo de hormigón. En la figura 7.7 se muestra una guni-tadora de vía húmeda típica. La mezcla completa (cemento + áridos + agua + aditivos) se vierte sobre la tolva de la gunitadora. Allí, mediante un sistema de tornillo sin f i n o neumático, se impulsa por la manguera, en cuya boca se añade aire comprimido para proyectar la mezcla. También es posible añadir . . ... . . aditivo:; líquidos en la boquilla de la manguera (figura 7.6).

u

ADITIVOS

hl

Gzt í z itadora por vta húmeda (Cortesta Schwing;) En tabla 7.6 se muestran las principales características, ventajas e inconvenientes de ambos sistemas.

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

Robot gunitador (Col-testaALIVA)

La superficie a gunitar debe estar limpia y ligeramente húmeda para que se adhiera bien el hormigón. Esto puede conseguirse proyectando, previamente a la mezcla completa, agua y aire durante unos minutos. En puntos donde fluye agua desde la roca la gunita no se adhiere. En tal caso conviene entubar el flujo de agua y gunitar alrededor, dejando salir el agua. También es práctica habitual reducir un poco la cantidad de agua de la mezcla. El operador que gunita debe tener experiencia, ya que un correcto gunitado depende, en gran medida, de la habilidad del operador.

El trabajo de gunitar es penoso, por lo que se consiguen mejores condiciones de trabajo y mayores rendimientos usando un robot gunitador (figura 7.8). Esta máquina tiene un dispositivo que permite manejar la manguera por control remoto con un operario situado a una distancia de seguridad del frente. La distancia de la boquilla a la superficie a gunitar debe estar entre 0.60 y 2.0 metros. Se debe gunitar perpendicularmente a la superficie, moviendo la boquilla describiendo círculos de abajo a arriba. Con ello se consigue una mejor adherencia y homogeneidad y un menor rechazo. Se llama rechazo a la parte de la gunita proyectada que no se adhiere y cae al suelo. El rechazo habitualmente está entre un 50 y un 100 % del total de hormigón que queda adherido (vía seca), por lo que supone un porcentaje muy importante que encarece notablemente el costo del hormigón proyectado. El rechazo se reduce con una buena dosificación de la mezcla y una adecuada puesta en obra, siendo importante la habilidad del operario. Por vía húmeda el ~ @ @ ~ ~ ~ @ % % 1% suele ser mucho menor que 1 por vía seca, incluso menor del 10% con una mezcla correcta. e Las gunitadoras funcionan con aire comprimido, por lo que es necesario la instalación de un compresor de caudal adecuado en el túnel. En la tabla 7.7 se muestran los caudales necesarios de aire a 700 I
El hormigón proyectado se coloca normalmente en masa únicamente cuando se utiliza como sellado de la superficie de roca, en espesores generalmente inferiores a 5 cm. Cuando se le quiere dar una capacidad resistente, se utiliza hormigón armado. El refuerzo puede ser mediante malla electrosoldada o mediante fibra de acero. Ambos tienen el efecto adicional de permitir gunitar mayores espesores de una sola vez, lo que agiliza la colocación del sostenimiento. M A L L A ELECTBQS0LDADA.- La malla electrosoldada o mallazo está formada por una parrilla de barras corrugadas unidas mediante electrosoldadura, y se utiliza como refuerzo del hormigón proyectado por su facilidad de adaptación a la forma del túnel. Generalmente se usan mallazos de diámetros 4, 5 ó 6 milímetros a separaciones comprendidas entre 10 y 20 centímetros. En la tabla 7.8 se muestran los mallazos más usados habitualmente y sus cuantías en KgIm2. Por facilidad de manejo y colocación, conviene utilizar cuantías inferiores a los 3 KgIm2 y diámetros inferiores a 6 mm. Si se superan estos valores, la maniobra de colocación del

i t @ 7 Q @g@~i&@@g&-,%

/

mallazo en la clave del túnel, adaptándose a las irregularidades del terreno, se vuelve muy penosa. La sujeción de los paños de mallazo al terreno puede hacerse por varios métodos (figura 7.9), aunque lo más recomendable es utilizar las placas de los bulones.

@

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De este modo se consigue que gunita, mallazo y bulones trabajen conjuntamente. Es recomendable que entre unos paños y otros de mallazo C - Diapasones se dejen siempre al menos 20-30 cm de solape. El mallazo debe ajustarse lo más posible al terreno, ya que, de otro modo, al gunitar sobre él podrían quedar huecos entre el hormigón proyectado y la roca. Además la vibración, inducida en la malla por la proyección, eleva el porcentaje de rechazo. Para trabajar adecuadamente, el mallazo debe estar embebido dentro del hormigón. Esto implica efectuar el gunitado en dos capas, y colocar el mallazo entre ambas. Muchas veces se coloca el mallazo en primer lugar y luego se gunita todo el espesor encima. Esta práctica tiene la ventaja de que el mallazo actúa desde el primer momento evitando la caída de pequeñas cuñas, pero tiene el inconveniente de una menor durabilidad (corrosión por las aguas que afloran desde la roca) y de peor comportamiento estructural (el acero no está completamente embebido en el hormigón). En ciertos túneles de sección reducida y en roca de buena calidad, en los que no se utiliza hormigón proyectado, puede usarse el mallazo solo, en combinación con los bulones, para evitar la caída de cuñas y bloques.

A - Placas de bulones

B - Alambres en hormigón

m

Si en la mezcla del hormigón se añaden fibras de acero junto con los áridos y el cemento, el producto resultante tendrá, embebidas en su masa, gran número de estas fibras dispuestas en todas las direcciones, lo que le confiere una resistencia a tracción que el hormigón en masa no tiene. Las fibras usadas para refuerzo del hormigón L 1 d = 0 . 5 mm. proyectado tienen la forma que se muestra en la L = 30 mm. figura 7.10. Son alambres de acero conformados en frío formando unas patillas que mejoran su adherencia con el hormigón. Se fabrican en varios diámetros y longitudes, siendo el más habitual el de CARTA DE IDENTIDAD DRAMIX ZP 301.50 0.5 mm de diámetro y 30 mm. de longitud. La cuantía con que se emplean está comprendida entre 30 y 50 Kg de fibra por m3 de hormigón. Las fibras se suelen conocer por uno de sus nombres comerciales: DRAMIX (de la casa Bekaert S.A.). En la figura 7.1 1 se muestra la carta de identidad de un tipo de fibra DRAMIX"). Este gráfico muestra varias características del hormigón con fibra para varios contenidos de ésta. El factor Ru indica la relación en tanto por ciento entre la resistencia a flexión de una probeta de 150x150x600 mm. con y sin fibra. Los otros factores indican la tenacidad del material, es FIBRA DE ACERO.-

1

decir, la energía de deformación que absorbe el hormigón con varios contenidos de fibra. La utilización de hormigón proyectado con fibra conlleva una serie de ventajas e inconvenientes con respecto al uso de mallazo, y es un tema controvertido hoy en día el distinguir cuándo se debe utilizar uno y otro. Se pueden señalar los siguientes consideraciones a este respecto: La puesta en obra de la fibra es muy sencilla puesto que simplemente se añade a la mezcla del hormigón junto con los áridos. En cambio, el mallazo tiene una colocación lenta y en ocasiones dificultosa. El hormigón con fibra ocasiona unos desgastes en distintos componentes de la máquina en la manguera y en la boquilla de gunitado, muy superiores a los debidos al hormigón sin fibra. La fibra no actúa hasta que el hormigón ha endurecido, es decir, después de varias horas de la colocación. En cambio el mallazo actúa desde el primer momento, y es capaz por sí solo de resistir la caída de pequeñas cuñas y bloques. El contenido en fibra del hormigón es muy difícil de controlar. Normalmente es necesario añadir más cantidad en la mezcla para conseguir un cierto contenido in-situ, ya que el rechazo de fibras es importante. El rechazo del hormigón con fibras es menor que el del hormigón sin fibras. El mallazo, si está mal colocado, dejando huecos entre él y la roca, aumenta el rechazo de forma considerable.

-

c:

C G ~ . I T ~ \ O L El control que se realiza sobre el horm~gónproyectado es de

E!\JS.&'!~S

dos tipos: cuantitativo (espesores, contenido en fibra) y cualitativo (resistencia a corto y largo plazo). A continuación se describen los principales controles que se realizan habitualmente en la obra: r n ~ ~ - rCn E L E 5 P i S O 3 . - El control del espesor es importante porque suele ser uno de ,

,

i

\

l

~

~

;

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los motivos de discusión más habituales entre Contratista y Dirección de Obra, debido a la tendencia de aquél a colocar espesores menores de los exigidos. El espesor de la capa de hormigón puede controlarse dejando unos clavos en las paredes y clave del túnel antes del gunitado, que sobresalgan una distancia equivalente al espesor que es necesario colocar. Estos clavos han de cubrirse con el gunitado. Después de la puesta en obra puede controlarse el espesor con una taladradora manual, haciendo un taladro hasta encontrar la roca y midiendo su profundidad. Otro método posible es sacar un testigo del hastial del túnel, que también puede emplearse para ensayarlo a compresión simple. COMTXOL DEL CONTENIDO ti\! FIB?,A.- Se puede medir en laboratorio el contenido en fibra de una muestra de hormigón mediante molido y separación del acero por un procedimiento magnético o manual. El control se puede efectuar sobre una muestra obtenida de artesa o del hastial del túnel y también sobre una muestra de mezcla antes del gunitado. El contenido en fibra exigido siempre debe considerarse in-situ, y suele ser diferente del contenido en la mezcla.

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

SES~ST;:V~!R ,A E3Fj.13 p ~ i . 7 9 . - Generalmente es más importante la resistencia a corto plazo del hormigón proyectado que a largo plazo. Esto es especialmente evidente cuando el túnel lleva un revestimiento definitivo de hormigón encofrado y si tenemos en cuenta que la roca presiona sobre el sostenimiento inmediatamente tras la excavación. La figura 7.12 muestra las resistencias requeridas por la Norma Austríaca de hormigón proyectado en las primeras 24 horas"' A edad tan temprana, es imposible obtener probetas o testigos del hormigón que se puedan romper a compresión simple, por lo que hay que acudir a procedimientos indirectos para evaluar la resistencia del material. En la figura 7.1 3 se muestran los procedimientos existentes y el rango RC (WIPa) de aplicación de cada uno"'. Dado que se trata de métodos indirectos, suelen dar bastante dispersión. Por esta causa se recomienda efectuar el ensayo sobre el mayor número de muestras posible. E l primer método se realiza mediante el uso de un penetrómetro (figura 7.14). Consiste en clavar una aguja en el hormigón fresco a una presión fija proporcionada por un muelle. E l fabricante facilita una correlación entre la longitud a la que 15 30 1 2 3 6 9 17 24 se introduce la aguja y la resistencia

1-

MINUTOS

sobre resistencia temprana del homigóón p ívy ectado

1

del hormigón'

HORAS

i

J, : CASOS NORMALES J, : TUNEL CON ALTAS CARGAS INICIALES J, : CASOS EXCEPCIONALES

A - Penetrómetro dia.9 mm.

B - Penetrómetro dia.3 mm. C - Método de arrancamiento o clavado de bulón. D - Testigos.

Métodos para detenninnr La resistencia a corta edad

5

15

30

MINUTOS

1

2

5

HORAS

10

24

2 3

7

& 1DIAS

28 29

Otro método es el llamado Kaindl-Meyco (figura 7.1 5). Consiste en dejar en el hastial del túnel unas piezas metálicas de la forma y dimensiones que se observa en la figura y gunitar sobre ellos una capa de 3-4 cm de hormigón. Posteriormente se tira de dichas piezas mediante un gato y se arrancan junto con un cono de gunita. El fabricante suministra unas curvas en la que se correlaciona la resistencia del hormigón con la fuerza que es necesario aplicar para arrancar los clavos y el tamaño de éstos. Por último está el denominado ensayo de arrancamiento (figura 7.16). Se introducen unos clavos en el hormigón mediante una ~ ~ TUERCA ~DEL MANGUITO~ , ~ N ~ 7MUELLE CALIBRADO AGUJA DE PENETRACION pistola y luego se arrancan mediante un gato. El fabricante proporciona igualmente una curva de ORIFICIO DE VENTliAClON calibración que relaciona la AGUJA DE P E VASTAGO A GRADUADO PUNTA DE APOYO DE LA AGUJA DEL DESLIZAMIENTO I resistencia del hormigón ROSCA DEL MANGUITO TUERCA DE MARIPOSA PARA EL VOLANTE con la fuerza necesaria 1 para arrancar el clavo. 1

Penetrómetro

-.

si:~IJLOM:S

I

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

Bulo~zesactivos y pasivos

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

Bulón de anclaje mecánico

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

Bulón de redondo inyectado

~ u k - 6DE~ REDONDO II\!VLCiAT>O.- (figura 7.19 y tabla 7.10) Es el bulón más utilizado. Se trata simplemente de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo, aunque éste último es el más habitual. La fijación puede ser mediante cartuchos de resina epoxi, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando lechada de cemento en el taladro. Este último sistema es el que ofrece mejores resultados, u BULON INYECTADO pero es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean generalmente cartuchos, que Tuer 1 ofrecen un comportamiento Resina o mortero Barra de de cemento suficientemente satisfactorio. Placa de apoyo simple Si el bulón es activo es

A - ACTIVOS

., .

BULBO A N C W E FUSTE

TUERCA

E W B - PASIVOS

B!JLÓN3 E AN[@,jE

BULONES DE ANCWE MECANICO - ANCLAJE DE EXPANSION

$~~cÁ$jj~3.-

CALIDAD DE ACERO

necesario inyectar sólo el bulbo de anclaje, lo que se consigue por medio de un o b t u r a d o r . S i se emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos en el fondo del taladro. El tesado se produce cuando ya ha fraguado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocación. Algunas veces se inyecta t a m b i é n el fuste después de tensar el bulón, con lo que se tiene un comportamiento híbrido activopasivo.

1080 MPa

(figura 7.20 y tabla 7.1 1) Dywidag es una marca comercial de anclajes y bulones. En realidad es el mismo bulón de redondo, pero hecho con un acero especial más resistente en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es por este motivo, más caro y menos usado y su uso queda restringido a casos especiales. B U L S F ! C;V'i:iJiDA,G.-

BULONES DE INYECCION - ACERO DYWIDAG

redo?zdoinyectado DYWIDAG

Tuerca con apoyo serniesferico Placa de apoyo

Barra de anclaje

Inyección de mortero de cemento

B U L O N DE F I B R A DL v i u ~ 1 0 . (tabla 7.12) Es idéntico al anterior, salvo que se usa una

barra de fibra de vidrio en lugar de una barra de acero. Este tipo de bulón tiene interés porque resiste a tracción incluso más que el acero, pero es rompible mecánicamente, p o r lo que se usa en zonas q u e se han de excavar en fases posteriores de

RESISTENCIA A TRACCIÓN

1.000MPL~

RESISTENCIA A CORTE

315.7iZ1Pn

MODULO DE ELASTICIDAD

44.000-50.000 MPn

8 ~ ~ j i D\ C! C A B L E C ; . -(figura 7.21 y tabla 7.13). El principio de funcionamiento es el mismo de los bulones de redondo, salvo que se utiliza un cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser inyectado necesariamente. Es de utilidad en túneles de gálibo escaso en los que es necesario instalar bulones muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad.

BULÓNDE CABLES

E

Bulón de cdle inyectc~do

\

Bulón de cable

l

inyección de mortero de cemento

7.22 y tabla 7.14) Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND. Está constituido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducirlo en un taladro de diámetro inferior al suyo propio, ejerce una fuerza radial sobre la roca que hace que el bulón quede fijado a la misma por rozamiento. Es muy rápido de colocar, pero tiene el inconveniente de que es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. En terrenos de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo. BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SPLlT SET

ALZADO

\ \ Tubo de acero con hendidura longitudinal

/

Split - Set

Placa de apoyo

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SWELLEX

Bulón tipo Swellex

U C L C NSirirlLE::.- (figura 7.23

y tabla 7.1 5) Swellex es una marca comercial de ATLASCOPCO. Es un bulón hueco, que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presión en su interior. Al expandirse rellena t o d o el taladro y presiona contra las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria para producir su expansión. Hay en el mercado varios tipos de bulones Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para terrenos expansivos o fluyentes.

1 -c

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

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

Bulonadora (Co~tesia Atlas Copco)

E J E C U C I G N DE 1-05TALADROS.- LOStaladros se hacen normalmente con el mismo jumbo que se utiliza para la perforación de los barrenos para la voladura en el frente. En túneles que no se excaven mediante explosivos, puede resultar más ventajoso el uso de una bulonadora: que es una máquina muy similar a un jumbo, pero con un solo brazo y de menor tamaño. Por lo demás el funcionamiento es el mismo, y ya se trató suficientemente en el capítulo 6 de este manual (figura 7.24). Para conseguir un buen anclaje, es necesario que el diámetro del taladro guarde relación con el diámetro de la barra de anclaje y de los cartuchos, de modo que la diferencia de diámetros no supere los 10 mm.

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

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

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen una misión resistente de por sí y fundamentalmente en unión al hormigón proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar SU colocación Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas barras de acero de unión, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de 58 todas las cerchas trabaje solidariamente. En construcción de túneles se usan normalmente tres tipos de cerchas: C E ~ C H A Si H

-

v - El perfil TH o perfil omega es la sección empleada para este tipo

de cerchas, muy usadas en minería y construcción de túneles. Las características mecánicas de los principales perfiles TH son las que se muestran en la tabla 7 16 y figura 7 25 Se emplean por la facilidad que tienen para solaparse por medio de

Grapas de uniónpara cedas

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

s

especiales 1

1-

~ ~ \ ~ T R O D U C ~ Con ~ O ~ el Z . empleo de hormigón proyectado, bulones y, ocasionalmente, cerchas se logra el sostenimiento del túnel prácticamente en todas las calidades de roca. No obstante, cuando se atraviesan zonas donde el terreno es de peor calidad (fallas, presencia abundante de agua, roca muy fracturada, roca alterada, etc.), puede no ser suficiente la utilización de los elementos anteriores, y es necesario recurrir a métodos de sostenimiento complementarios más potentes que son los que se conocen como tratamientos especiales. Los tratamientos especiales se usan de forma puntual, con objeto de atravesar una zona concreta de terreno de mala calidad. Hemos distinguido tres tipos diferenciados según la parte del túnel que es necesario estabilizar: clave, frente o solera. En otro grupo se situarían los tratamientos de consolidación del terreno en sí. A continuación se analizan en profundidad cada uno de ellos. E S T A B I F I Z A C I ~ NDE LA CLAVE Las medidas de estabilización de la clave se utilizan cuando ésta es inestable y cede al efectuar el avance. Las principales medidas se han resumido en la figura 7.29. Su aplicación es la que se describe a continuación:

/ -f L= 3-4 m

noS

50n

B - PARAGUAS DE BULONES (Ligero) O TUBOS (Pesado)

A - ENFILAJE (Forepiling)

3m

a 1 10 mm inyectado

s----L=9m

'

u n -4-3m-\

Cercha

-----A

TUBOS

C - PARAGUAS DE JET-GROUTING

BULONES

Ligero Columna de iet tiwo I

Pesado

Estabilización de la clave ENFILAJE O FOREPILING.- Esta medida consiste en disponer unos bulones en la parte alta del frente inclinados unos 40-45" hacia adelante. Con ello se consiguen coser por delante del frente las cuñas que puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores. Tiene utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada. PARAGUAS.- El paraguas se usa para atravesar una zona de roca muy fracturada o roca muy alterada, que produce desprendimientos en la clave al efectuar el avance. Consiste en la colocación de elementos lineales paralelos al túnel en toda la corona de éste. Puede tratarse de bulones de redondo de diámetro 32 mm (paraguas ligero) o de tubos huecos inyectados de lechada de diámetro 102-150 mm y espesor 3-4 mm (paraguas pesado). El paraguas actúa como una viga, por lo que es necesario apoyarlo en sucesivas cerchas conforme se va avanzando bajo él. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mínimo entre uno y otro de 2 ó 3 metros.

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

En ciertas ocasiones el frente del túnel es inestable, y se producen desprendimientos desde éste hacia el interior del túnel. El tratamiento es muy delicado, ya que debe ser necesariamente provisional y no muy potente, ya que de otro modo impediría un sucesivo avance. Los sistemas más usuales son los mostrados en la figura 7.30, y se describen a continuación: ESTABILIZACI~N DEL FRENTE

A - MACHON

C - SELLADO DEL FRENTE

B - BULONADO DEL FRENTE

D - EXCAVACION A MEDIA SECCION

r FASE la

FASE lb

Estabilizdción

MACHÓN c ~ i m - R A L .Consiste en no excavar el frente vertical en su totalidad, dejando en el centro del mismo un contrafuerte o machón que resista los posibles empujes del terreno del frente. Los hastiales y clave deben quedar en su posición con objeto de poder colocar el sostenimiento. B U L O N A D O D E L F R E N T E . -ES un sistema que proporciona una buena estabilidad del frente, tanto en suelos o rocas alteradas como en rocas fracturadas. Consiste sencillamente en coser el frente con un bulonado largo (L=9 m), preferiblemente utilizando bulones de fibra de vidrio, que son fáciles de excavar posteriormente, con lo que se mejora la estabilidad general del túnel, al impedirse la relajación de la roca por delante del avance. SELLADO D E L FRENTE.-Consiste en realizar un gunitado del frente con un espesor de 3-5 cm. Con ello se consigue que el terreno no se altere ni se decomprima. También se evita que las entradas de agua puedan lavar las juntas o arrastrar roca suelta, para lo cual deberá realizarse un drenaje del agua en el frente. E X C A V A C I ~ NA MEDIA S E C C I ~ N . La - medida más eficaz para estabilizar un frente de excavación es reducir su tamaño, pasando a excavar la sección anterior en dos nuevas fases, dejando un desfase mínimo entre ambas de unos 20 metros. La ejecución del túnel se complica al existir más tajos abiertos, lo que exige disponer de más medios y una mejor organización de los trabajos.

ESTABILIZACIQN DE LA SOLERA Cuando el terreno no es firme y las presiones horizontales sobre el revestimiento son altas, el túnel tiende a cerrarse por la parte inferior, de forma que esta deformación puede llegar a partir el sostenimiento por flexión. En la figura 7.31 se muestran posibles actuaciones frente a este problema: C O N T R A ~ ~ \ ~ E DUn ~ , .método -

A - CONTRABOVEDA

C - PATA DE ELEFANTE

eficaz es excavar la solera del túnel con forma de arco y no plana, con lo que se facilita la transmisión de las tensiones horizontales del terreno. Si además se hormigona esta solera curva (contrabóveda), se logra cerrar un anillo de hormigón que tiende a trabajar a compresión, evitándose de este modo las flexiones.

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

?,ATAD E E L E F A N T E . -La "pata de elefante" es una prolongación recta del sostenimiento tangente al túnel (véase figura 7.31). Se utiliza cuando el terreno de solera es flojo y no puede resistir las cargas verticales que le transmite el hormigón proyectado. Con la pata de elefante se logran dos efectos: por un lado se aumenta la superficie de carga, con lo que, a igualdad de fuerza vertical, la tensión se reduce; por otro, se puede excavar la siguiente fase del túnel sin descalzar el sostenimiento de la fase anterior. I C O N S S L ~ D A C I ~D~E\L? T E R ~ E N O Cuando la roca que se ha de atravesar es de mala calidad, puede recurrirse a tratamientos de consolidación del terreno. Los más potentes son la congelación, inyecciones sistemáticas, etc., pero únicamente son de aplicación en terrenos de escasa cohesión, por lo que se salen del alcance de este Manual. En túneles en roca se emplean los dos métodos indicados en la figura 7.32. iN\!ECCIOI\IES

A - INYECCIONES

L O C A L I Z A D A S . - Se efectúan inyecciones de lechada de cemento o de

B - DRENAJES

mortero cuando se detectan huecos dentro del macizo rocoso. Los huecos son perjudiciales porque favorecen la afluencia de agua, concentran las tensiones del macizo rocoso en ciertas zonas y dificultan la colocación y el trabajo de los bulones. D R E N A J E S . - LOS drenajes

Consoliddción del terreno

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

(1) lnternational Tunnelling Association (ITA): " Shotcrete for Rock Support. Guidelines and Recomendations - A Compilation " , ITA, 1993. (2) AFTES - Working Group no 6 - Shotcrete: " Recomendations on Shotcrete Technology and Practice ", AFTES, 1986. (3) F.G. Bell (Editor): " Engineering in Rock Masses", 1992. (4) Sika, lmpormaq SA, Bekaert, Aliva & Schwing: "Jornadas Técnicas sobre Hormigón Proyectado por Vía Húmeda " , 199 1.

(5) Marc Vandewalle, Bekaert SA: " Dramix. Tunnelling the World", Bekaert SA, 1991. (6) Stillborg B.: " Professional Users Handbook for Rock Bolting " , Trans Tech Publications, 1986. (7) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos", MOPU, 1988. (8) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "EH-91: Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado", MOPU, 1991. (9) Recomendaciones de la American Concrete lnstitute (ACI), comité 506

- "Guía del Hormigón Proyectado" - " Recomendaciones Prácticas del Hormigón Proyectado" - "Especificaciones de materiales, dosificación y aplicación"

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

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

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

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

Medida de convergeencim

empezar a medir (un 20% aprox.), por lo que con las convergencias únicamente se mide un 50% del movimiento total, o incluso menos. Las medidas deben hacerse diariamente hasta que se haya alcanzado la estabilización de los movimientos, e incluso dos lecturas diarias si la variación es muy brusca. Es conveniente realizar además medidas posteriores de comprobación con periodicidad mensual. La medida de convergencias es una medida SECCION DE CONVERGENCIA relativa, es decir, sólo se conoce la variación de distancias entre los puntos de medida, pero no su movimiento real. Todas estas características hacen que las convergencias se usen más bien de forma cualitativa que cuantitativa. Lo que interesa /////\\\\\ es conocer si la deformación se estabiliza y cuánto CINTA EXTENSOMETRICA tarda en estabilizarse, así como comparar unas secciones con otras, lo que nos da una idea de la calidad de la roca y de si el sostenimiento es adecuado para cada tipo de roca. Al ser una medida rápida de leer y económica, se puede colocar en muchas secciones. Normalmente se coloca una sección cada 25 metros en túneles normales de carretera, y cada 10 ó 15 metros en zonas de especial problemática o en grandes cavernas. Modernamente se utilizan también estaciones totales topográficas de precisión para la medida de convergencias. En este caso se colocan unas dianas reflectantes pegadas al hormigón en lugar de los clavos anclados. Otra posibilidad es estacionar el aparato en una base fija y durante la medida ajustar el prisma sucesivamente en cada punto de lectura. El primer sistema es más rápido de leer, pero tiene el inconveniente de la suciedad que se deposita sobre las dianas, que imposibilita su lectura, y también la oscuridad del túnel, que dificulta la puntería del topógrafo hacia la misma. El segundo sistema resulta más caro al tener que colocar una base fija para el aparato y otra en cada punto de control y necesitar un operario adicional.

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

Los puntos se deben proteger del tráfico y de los transeúntes mediante arquetas con tapa. El clavo de medida irá bien anclado en el terreno. Las medidas deben comenzarse antes de que la excavación del túnel alcance la sección de medida, y prolongarse por lo menos hasta que el frente se aleje dos o tres diámetros. Las lecturas suelen tener bastante dispersión por causas meteorológicas, ya que el volumen del terreno superficial resulta ser bastante sensible al contenido de humedad, que varía estacionalmente. Existen aparatos más específicos que controlan un edificio en concreto que se halle próximo al túnel. Pueden instalarse medidores de asientos con mecanismo hidráulico, mucho más sensibles; también clinómetros para control de la inclinación de las fachadas, fisurómetros o testigos de yeso para controlar la apertura de grietas existentes, etc.

Sec de medida

1

Los extensómetros de varillas y los inclinómetros son los aparatos más usados para medir los movimientos del interior del macizo rocoso. Son caros de instalación, por lo que únicamente se colocan en puntos de especial problemática, que requieran un análisis más detallado. En los túneles conviene normalmente concentrar todos los aparatos de medida en una misma sección completa de auscultación (véase figura 8.3), situada en una zona que pueda considerarse a priori más complicada que el resto. Las secciones completas necesariamente han de ser pocas en número debido a su alto coste, pero a lo largo del túnel tendremos gran número de secciones de convergencia, con lo que podremos extrapolar los resultados de las secciones completas a toda la excavación. E l funcionamiento del extensómetro de varillas puede observarse en esquema en la figura 8.4. Está formado por un taladro en el que van alojadas una o varias varillas. Las varillas están protegidas por una vaina de plástico excepto en su parte final. Al rellenar el taladro con una inyección de mortero se consigue anclar cada varilla a profundidades distintas.

En la cabeza se coloca una pieza especial que permite leer la posición de cada varilla, bien mediante un reloj comparador, bien de forma automática mediante un potenciómetro. El extensómetro, pues, proporciona la variación de la distancia relativa entre la cabeza y cada punto de anclaje. No se trata de una medida absoluta, y si queremos conocer los movimientos absolutos debemos controlar topográficamente la cabeza o bien suponer que la varilla más profunda no sufre desplazamientos. Las lecturas son de gran precisión (hasta la centésima de milímetro) y con poca dispersión en los resultados. Los extensómetros suelen ser de una a cinco varillas, que normalmente van alojadas en el mismo taladro, aunque puede resultar conveniente en ocasiones efectuar un taladro distinto para cada varilla. El extensómetro puede colocarse desde el interior o desde el exterior del túnel (figura 8.3). En general será preferible desde el exterior, pues puede comenzar a medirse antes del paso del frente por la sección, y además la lectura es mucho más cómoda. Desde el interior tendremos el mismo problema que con las convergencias: gran parte del movimiento ya habrá ocurrido cuando empiecen las lecturas. El problema de los extensómetros de exterior es que únicamente pueden instalarse en el caso de túneles relativamente someros. Por otra parte, el esquema del funcionamiento de un inclinómetro se muestra en la figura 8.5. Este aparato de medida permite medir movimientos del terreno en dos direcciones perpendiculares, pero contenidas en un mismo plano horizontal. En un taladro, realizado desde el exterior, se introduce y se fija, mediante inyección de mortero, un tubo provisto de ranuras que sirven de guía. En el tubo se introduce una sonda que se desplaza por el tubo siguiendo las guías. Esta sonda es capaz de medir su desviación con respecto a la vertical, con lo que podemos calcular el desplazamiento horizontal entre ambos extremos de la sonda, que normalmente distan un metro. La sonda se introduce hasta el fondo y se va extrayendo, efectuando una lectura a profundidades dadas. De este modo se obtiene la deformación horizontal del terreno en función de la profundidad. Es una curva relativa, y para hacerla absoluta hemos de suponer que el fondo del inclinómetro tiene movimiento nulo, o bien controlar topográficamente la cabeza. La precisión conseguida con un inclinómetro llega a la centésima de milímetro, pero, al tratarse de una lectura manual, está sujeta a posibles errores de lectura. Sólo puede colocarse desde el exterior, por lo que en túneles profundos no puede utilizarse.

Disposiciórz radial y tramvei"sal de las céhlas de pesión

Células de m g a mecázica

1

Para medir las tensiones a las que trabaja el hormigón proyectado, o el anillo de hormigón encofrado de un túnel, se utilizan las células de presión. Su funcionamiento es hidráulico y constan de una placa hueca elástica rellena de un Iíquido a presión. Midiendo las variaciones de presión de dicho Iíquido conoceremos los incrementos de presión del material que rodea a la placa, que es el hormigón. Las células pueden colocarse de forma radial o tangencia1 (figura 8.6). Las radiales miden la presión que el terreno ejerce sobre el revestimiento, mientras que las tangenciales miden las compresiones dentro del anillo de hormigón. Con los espesores habituales de hormigón proyectado (5-20 cm) no hay espacio suficiente para colocar células tangenciales, por lo que su uso se limita a los revestimientos de hormigón encofrado. Estas medidas tienen una probabilidad alta de contener errores debido a defectos en la colocación de las células: el apoyo entre placa y terreno no es perfectamente liso, el hormigón no envuelve perfectamente a la placa, el mecanismo hidráulico de la célula pierde presión, etc. Por otra parte, sólo se miden las tensiones diferidas, pues la mayor parte de las deformaciones han ocurrido antes de colocar la célula. Por todo ello las células de presión no se utilizan nada más que en ocasiones especiales en que puedan tener interés, fundamentalmente para controlar las cargas diferidas sobre los revestimientos de hormigón del túnel. Mediante pequeños extensómetros de cuerda vibrante colocados dentro del hormigón, pueden medirse, con relativa precisión, las deformaciones de éste, y pasar a tensiones supuesto conocido el módulo de deformación del material. Este es un método indirecto que no se utiliza habitualmente por su poca precisión. Las células de carga (figura 8.7) miden de forma mecánica o hidráulica la fuerza que la placa de cabeza de un anclaje ejerce sobre la roca. En los anclajes es de mucha utilidad para su control, pero la aplicación a los bulones de un túnel no es inmediata. En efecto, los bulones usados como sostenimiento de excavaciones subterráneas son generalmente pasivos y de anclaje repartido en toda su longitud, por lo que teóricamente su placa no ejerce presión sobre la roca. Si en un bulón normal colocamos una célula de carga no mediremos nada. Por tanto, para controlar el bulón lo que se suele hacer es instrumentar un anclaje de barra en lugar de un bulón. Es decir, el bulón con célula deberá ser activo y anclado sólo en la punta, dejando el fuste libre. De este modo podremos medir la evolución de la carga del bulón a lo largo del tiempo. Como se puede apreciar, la instrumentación no se corresponde directamente con el elemento de sostenimiento empleado, por lo que su interés es escaso.

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epresentación

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La utilidad principal de la instrumentación es poder disponer a diario, durante la ejecución del túnel, de gráficos con curvas donde se representen las lecturas actualizadas para cada día. Esto permite observar rápidamente la tendencia a la estabilización, o no, de cada sección, con lo que los técnicos a pie de obra pueden tomar decisiones en lo relativo a sostenimientos a aplicar, refuerzos, medidas especiales, longitud y velocidad de avance, etc. Esto exige, lógicamente, que los técnicos de la obra tengan cierta experiencia en construcción de túneles. La auscultación exige un tratamiento informático de no demasiada envergadura. Se necesita un ordenador personal con un programa de hoja de cálculo y una impresora. En la hoja de cálculo se prepara una tabla de introducción de datos y otra tabla de resultados. Los cálculos para pasar de una a otra son muy sencillos: en general será suficiente con restar a cada lectura la lectura origen. Se preparan también unos gráficos XY y basta cada día con introducir la nueva medida e imprimir la gráfica actualizada. Las casas que comercializan los aparatos de medida, suministran también programas específicos y el hardware necesario para que los datos puedan introducirse directamente al ordenador, desde la centralita de lectura sin necesidad de teclearlos, pero en general suele ser suficiente el primer método. En la figura 8.8 y sucesivas se observan ejemplos de gráficas de auscultación. Normalmente se representa el movimiento medido con las convergencias o extensómetros en función del tiempo en días, ó de la distancia al frente en metros. En el inclinómetro se representa el movimiento horizontal en función de la cota para varios días. En cada caso concreto podrá ser de interés una cierta representación, que siempre será fácil de obtener con la hoja de cálculo. Otra utilidad interesante de la auscultación, es comprobar si los cálculos efectuados durante la fase de proyecto proporcionan valores similares a los reales en cuanto a las deformaciones del terreno, o bien, visto de forma inversa, calcular qué parámetros debemos dar en el modelo de cálculo al terreno para obtener los movimientos reales medidos. Para este retro-análisis es necesario utilizar datos muy precisos y lo más completos posible. Esto sólo se consigue con la instrumentación colocada desde el exterior y comenzada a medir con suficiente antelación al paso del frente, en concreto con los resultados de extensómetros e inclinómetros. No es válida la instrumentación de interior ya que las lecturas empiezan cuando ya se ha producido una parte importante de la deformación. En este caso puede suponerse, como hipótesis, el porcentaje de deformación ocurrido antes del inicio de las medidas.

Resultados de medidas con inclinómetros

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

- Instrumentation ", Elsevier, 1989. (2) Wittke W.: " Rock Mechanics", Springer-Verlag, 1990.

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

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

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

6

El agua ataca al hormigón y al acero del sostenimiento y del revestimiento del túnel, deteriorándolos. Con el tiempo pueden llegar a quedar completamente destruidos, lo que obliga a una reparación del revestimiento, que normalmente requerirá el cierre del túnel al tráfico. Por otra parte, el agua que cae sobre la calzada puede resultar peligrosa para los vehículos por la posibilidad de deslizamientos e incluso de formación de placas de hielo.

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

que impida por completo la entrada de agua: en primer lugar se evitan las cargas hidrostáticas sobre el revestimiento, que, con coberteras altas, pueden llegar a ser muy importantes, y por otro lado, se consigue un menor coste de la obra. Las medidas de impermeabilización son de varios tipos, desde las más simples hasta las más potentes, pero en general responden a tres grupos o sistemas de trabajo: drenes puntuales, bandas drenantes y la impermeabilización completa: D R E N E S P U N T U A L E S . - También llamado sistema "Oberhasli". Se emplea para captar un

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

BAI\;IDASDXENf?,i\!TES.- Cuando los goteos son generalizados en una zona más amplia y no

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

\~~?EF",~\J~?AB~LIZ/-./-.C:LC~\~ fC-iri4FLE-i~.-Este es el sistema más costoso, pero también el que mejor impide la entrada de agua al túnel. Es obligado en las zonas con abundante presencia de agua, aunque en ocasiones se usa de forma preventiva a lo largo de todo el túnel. Requiere un revestimiento de hormigón encofrado para funcionar adecuadamente. El sistema de impermeabilización se observa en la figura 9.3. Sobre el sostenimiento se coloca una Iámina de geotextil de 250 a 500 grlm y una Iámina de PVC o de polietileno de un espesor de 1.5 a 2 milímetros. Tanto la Iámina de geotextil como la Iámina de PVC, se anclan al terreno por puntos, mediante arandelas especiales del mismo material fijados a la superficie soporte con clavos. Tanto la soldaduras a las arandelas como la de los solapes de la Iámina de PVC, se realizará por aire caliente mediante soldadura termoplástica. La Iámina de plástico realiza la función impermeabilizadora y el geotextil tiene por misión conducir al agua y proteger al PVC de las irregularidades superficiales del sostenimiento, que podrían rasgarlo de otro modo. El geotextil se conecta en su base con un tubo colector de pequeño diámetro que está unido a intervalos regulares con el sistema de drenaje longitudinal del túnel. Posteriormente se hormigona el revestimiento definitivo, con lo que los elementos de la impermeabilización quedan embebidos entre el sostenimiento y el revestimiento.

iento

Esquema de impermeabilizdción completa

A lo largo del túnel es necesario disponer un sistema de drenaje longitudinal que conduzca las aguas hasta el exterior del mismo. El agua puede tener procedencias diversas: 2 Agua que circula por las cunetas en el exterior del túnel y entra al mismo al no poder evacuarse por otros puntos. S Agua procedente de las filtraciones desde el terreno, que según lo visto en el apartado anterior, se capta para que no caiga sobre la calzada. Sobre la calzada puede haber algún vertido procedente de algún vehículo, aguas producidas por labores de mantenimiento y limpieza del túnel e incluso aguas de filtración por un incorrecto funcionamiento del sistema de impermeabilización. 2 Por último, bajo la calzada es normal que aflore agua procedente del terreno por filtración. Para evacuar el agua se pueden utilizar sistemas diversos, pero el más empleado hoy en día es el que se describe a continuación. El sistema consiste en colocar dos tubos de drenaje longitudinal, uno bajo cada acera o arcén, de diámetro entre 300 y 500 mm, en función de los caudales esperados. Se tratará de tubos-dren de PVC perforado. La disposición descrita de los tubos (figura 9.4) permite suprimir la colocación de tuberías bajo la calzada, para evitar zonas de posibles asientos diferenciales y para facilitar las posibles reparaciones en el drenaje.

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

\Tubo 0 400 mm. perforado

Esque

\\

Base drenane

1-

En la práctica totalidad de los túneles de carretera excavados en roca se usa un sistema de ejecución (originado en el denominado Nuevo Método Austríaco), que consiste básicamente en la colocación de un sostenimiento inmediatamente después de la excavación, que estabiliza el túnel. Dado que la estabilidad estructural está garantizada por el sostenimiento, la colocación del revestimiento debe regirse por otros criterios: estéticos, de impermeabilización relacionados con las instalaciones del túnel de mantenimiento, etc. En función de esto, hoy en día se utilizan tres tipologías distintas de revestimiento para los túneles de carretera: La primera es simplemente no colocar ningún revestimiento adicional, dejando a la vista el sostenimiento de hormigón proyectado junto con los demás elementos estructurales (bulones, mallazo, cerchas, etc.). Una segunda posibilidad es colocar un revestimiento decorativo, fijado a ambos hastiales del túnel, con una finalidad estética y funcional de cara a los conductores de los vehículos. Por último, se puede colocar un revestimiento formado por un anillo de hormigón encofrado. La elección de uno u otro sistema dependerá en cada caso de los criterios que se van a señalar a continuación, aunque es necesario destacar que éste es un tema que no está cerrado hoy en día, existiendo diversas posturas sobre el mismo. En la tabla 9.1 se han tratado de resumir las ventajas e inconvenientes de cada sistema según los criterios que a continuación se indicarán y que más influyen en la decisión. 4zp-r-a 32 ,, D.V...: v s , n - . - Teóricamente el sostenimiento proporciona la estabilidad estructural del g r - - 3

J

túnel, pero ello sólo es cierto a corto plazo. Con el tiempo, el deterioro debido principalmente a la acción del agua, termina por arruinar cualquier sostenimiento que pudiera colocarse, especialmente en zonas húmedas. El sostenimiento está en contacto

directo con el terreno, por lo que es atacado directamente por el agua. Además, su espesor es relativamente pequeño, por lo que la acción de la corrosión es mayor. Por el contrario, un revestimiento de hormigón tiene un espesor importante y está separado del terreno por el propio sostenimiento y, en ocasiones, por una impermeabilización. En zonas de una moderada presencia de agua el revestimiento tiene una vida útil de decenas de años, mientras que la duración del sostenimiento se estima en solamente unos pocos años. Por otra parte, en ciertos tipos de terreno pueden generarse cargas diferidas, que actúan a largo plazo. En estos casos puede resultar adecuado que sea el revestimiento, y no el sostenimiento, el que resista estas cargas. PRESENCIA DE AGUA.- Cuando la afluencia de agua es grande, es muy conveniente emplear una impermeabilización con Iámina de PVC, lo que obliga a la ejecución de un revestimiento de hormigón encofrado. Con escasa presencia de agua puede ser suficiente el sostenimiento. ~ S i É l l ~ 0LOS . - mejores revestimientos desde el punto de vista estético son obviamente, los revestimientos prefabricados decorativos. El anillo de hormigón puede quedar mejor o peor según la habilidad de los operarios en la puesta en obra, aunque generalmente suele tener un número importante de coqueras, juntas constructivas, juntas frías debidas a corte en el hormigonado, etc. El aspecto del sostenimiento se considera en general poco estético. V E N T I L A C I ~ ~ - La .-

ventilación se ve favorecida por una superficie interior del túnel lo más lisa posible. Esto se consigue con el anillo de hormigón, pero no con los otros dos sistemas, que dejan una superficie rugosa. ~ L~ U i i q ~ t i óEl~sostenimiento, .-

por su superficie rugosa y su color oscuro, absorbe la luz, por lo que requiere mayores potencias luminosas que los otros dos sistemas para lograr un nivel equivalente de iluminación en la calzada. i\AJ!Ai\iTrNi!\RiEí\ITO.- El anillo de hormigón no requiere apenas mantenimiento, salvo quizás alguna limpieza. En cambio el sostenimiento, por su elevado potencial de degradación, debe ser revisado continuamente y reforzado cuando se le aprecian defectos. Además, si se instala un revestimiento decorativo, la limpieza periódica de éste exige un importante costo de mantenimiento.

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

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

SOLAMENTE SOSTENIMIENTO

CRITERIO

COSTE RELATIVO TIPO DE TÚNEL MAS lND[CADO

Bajo Corto (c 500 m), con poco wLf;co. Preserzcia de agzu moderada

SOSTENIMIENTO + REVESTIMIENTO SOSTENIMIENTO + ANILLO DE HORMIGON DECORATIVO

Medio-alto Corto (400 m), tráf;co m e d i o - o . Presencia de agua modemda

Alto, especialmente en túneles cortos Túneles largos (> 500 m), con mucho trríf;co o bien con abundantepresencin de agua

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

En primer lugar se hormigona la solera y el arranque de los hastiales. En éstos se dejan las esperas en el caso de que haya armadura, y unas roscas embebidas donde luego se fijará el encofrado mediante unos tornillos. La cimbra es una estructura metálica que soporta el peso del encofrado y del hormigón fresco. Debe poder desplazarse a lo largo del túnel por unos carriles, permitiendo el paso de maquinaria a su través. El encofrado debe ser metálico, y generalmente está dividido en tres partes mediante unas rótulas que se abren y se cierran por medio de unos gatos hidráulicos. La cimbra se debe posicionar en su lugar cuidadosamente, comprobando topográficamente S U colocación. Una vez Gálibo para \solera colocada, se despliega el paso de maquinaria encofrado y se atornilla éste

a las roscas que se habrán dejado en la base de los hastiales. El encofrado de los extremos, denominado tape, se efectúa con madera o nervometal, y se fija normalmente con unos puntales. El hormigonado se lleva a cabo mediante bombeo. El encofrado lleva, a distintas alturas, unas ventanas que permiten introducir por ellas la manguera que conduce el hormigón. El vibrado se realiza mediante unos vibradores superficiales aplicados al propio encofrado, o bien introduciendo vibradores normales de botella por las ventanas. El desencofrado se suele realizar entre las 24 y las 48 horas, con objeto de sacar el máximo rendimiento al encofrado. Generalmente esto obliga a utilizar algún acelerante en el hormigón. También se suele emplear un plastificante para facilitar el bombeo del hormigón. En la zona de clave suelen quedar huecos entre el hormigón y el terreno. Debido a ésto, es una práctica recomendable efectuar unos taladros e inyectar mortero o lechada de cemento en dicha zona. Para evitar la perforación de los taladros pueden dejarse unos tubos embebidos durante el hormigonado LOSrevestimientos decorativos están formados por placas prefabricadas situadas sobre los hastiales del túnel en la forma en que muestra la figura 9.6. En clave, por encima del nivel de la iluminación, no se considera necesario colocar placas, ya que su finalidad principal es estética. El material de que están fabricadas es diverso: hormigón, acero, aluminio, hormigón con fibra de vidrio, etc. En cualquier caso debe tratarse de un material ligero de colores claros, resistente al fuego y que no produzca humos tóxicos. En alguna ocasión se han empleado placas de hormigón in-situ. La fijación al terreno se lleva a cabo mediante unos pernos, con ayuda de unas vigas longitudinales que solidarizan varias placas, lo que les impide caerse. Entre la placa y el hastial se deja un hueco que se puede utilizar para conducciones diversas y para el flujo del agua de filtración. La tolerancia en la colocación de las placas es pequeña (2 0.5 cm), ya que los errores son muy evidentes desde la posición del conductor, que mira en la dirección del túnel. .\EVESTIT\JiIENIOS DECORATlVOS

Revestimientos p refd bricados oi-ndrne?zta/es

El firme del interior de un túnel tiene unos condicionantes que lo diferencian del firme habitual de las carreteras, a cielo abierto. Los más importantes son los siguientes: Generalmente pueden emplearse firmes de espesores inferiores en el túnel con respecto al exterior, ya que la intensidad del tráfico es la misma y la calidad de la explanada es mayor, ya que se trata de roca sana en la mayoría de los casos. Es conveniente emplear un firme de color claro, ya que mejora considerablemente la eficacia de la iluminación del túnel. Son convenientes por otra parte, los firmes drenantes, con objeto de evitar acumulaciones de agua en puntos donde existan goteos. B En cualquier caso, como se ha apuntado anteriormente, es obligada la colocación de una primera capa de subbase drenante formada por zahorra o grava con objeto de recoger las humedades y filtraciones provenientes de la solera. Q

El tipo de firme puede ser rígido o flexible, siendo preferible el rígido, que es más duradero, por la dificultad que supone cualquier tarea de mantenimiento o conservación dentro de un túnel. La norma española de carreteras"' proporciona un catálogo de firmes para cada tipo de explanada y para cada nivel de tráfico. En el caso concreto que nos ocupa, la explanada a considerar debe ser la E3, formada por roca, regularizada con hormigón pobre H-50 ó H100. En la tabla 9.2. se han transcrito los firmes correspondientes a la explanada E3 para cada nivel de tráfico.

MEZCLAS BITUMINOSAS

------- -------

HORMIGÓN COMPACTADO

-----

EXPLANADA

GRAVA CEMENTO SUELO CEMENTO

ZAHORRA ARTIFICIAL ZAHORRA NATURAL EXPLANADA

35 30 27

15 10 25

E3

30 25 22

15

10

22

- -------

E3

18 -----22 -----30 30 ------

-----E3

Elemefltos laterales I

por elementos laterales nos referiremos a todos aquellos elementos del túnel que se colocan en la base de los hastiales, junto a la calzada, pero que no pertenecen estrictamente a ésta. Fundamentalmente se trata de la acera, el bordillo, la barrera de seguridad, etc. En los túneles interurbanos, donde no se permite la circulación de peatones, se suele disponer en cualquier caso una acera, que es conveniente para la circulación accidental de peatones, labores de mantenimiento y para el tendido bajo ella de las conducciones de las instalaciones y del drenaje. El bordillo entre la acera y la calzada puede ser rebasable o no. Hoy en día generalmente se prefiere un bordillo rebasable para proporcionar una anchura extra de seguridad para la circulación de los vehículos y para apartar vehículos averiados, vehículos de mantenimiento del túnel, etc. Aun siendo rebasable, la altura del bordillo debe ser de 10-15 cm. para que los conductores adviertan su presencia y reconozcan la acera como tal y no como parte del arcén. En tal caso es preciso no colocar en la acera ninguna arqueta u otro elemento que no sea pisable por un vehículo y además debe colocarse una barrera rígida en la base del hastial, con objeto de reflejar hacia la calzada los vehículos que se desvíen contra la pared del túnel. La barrera más conveniente en estos casos es la barrera rígida de hormigón prefabricado o in-situ con perfil New Jersey (véase figura 9.7). Hay que tener en cuenta también un gálibo mínimo sobre la acera (véase el capítulo 2).

C

Bodillo rebasable y barreya ri@da con perfzl New Jersey

1

1

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