TUNE LES CARRE-TE ROS
M E X 1 C O D. F. Sociedad Mexicana de Mecánica da Suelos, A.C.
1985
1 .
©
Copyright México, 1983.
SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. Valle de Bravo No. 19, Col. Vergel de Coyoacán, 01434-México, D.F., México Prohibida la reproducción sin autorización escrita. Hecho en México. Las opiniones y conclusiones expresadas en esta publicación son responsabilidad exclusiva de sus autores. Editor: Alfonso Olivera Bustamante.
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AGRADECIMIENTO la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, agradece su valiosa colaboración a todas las personas, empresas y' organismos oficiales que hicieron posible y contribuyeron al éxito de este Seminario, organizado por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos en colaboración con la Sociedad Mexicana de Mecánica de Rocas y la Asociación Mexicana de Vías Terrestres; contando con el patrocinio de la extinta Secretaría de Asentamientos Humanos y Obras Públicas. Se agradece en particular a la Secretaría de Comunicaciones y Transportes el patrocinio de la impresión de esta Memoria.
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El Seminario de Tuneles Carreteros fué organizado por la Mesa Directiva 1981-1982. Conforme a_los objetivos de la So ciedad Mexicana de Mecánica de Suelos de difundir los conocimientos de esta especialidad, la Mesa Directiva 1983 1984 llevó a feliz término la edición e impresión de dicho Seminario.
IV
SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A. C.
MESA DIRECTIVA
1981 -1982
1983-1984
luis Vietes Utesa Germán E. Figueroa Vega Jaime A. Martínez Mier Manuel Jara lópez J. Rafaél Alpuche Cual Jorge Flores Núf'lez J. Alfonso Mier Suárez Sergio A. Ruelas Moncayo
Gabriel Moreno Pecero Raúl F. Esquive! Díaz Alberto Jaime Paredes Agustín Deméneghi Colina Roberto Avelar lópez Hugo S. Haas Mora Alfonso Olivera Bustamante Armando Wong Ramos
CONSEJO CONSULTIVO Enrique Tamez González Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco luis Vietez Utesa.
Alfonso Rico Rodríguez Enrique Tamez González Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco
V
SEMINARIO DE TUNELES CARRETEROS REUNION TECNICA OCTUBRE DE 1982 .
MEXICO, D.F.
ORGANIZADOR: ARMANDO WONG RAMOS
'
-
SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. VIl
COMITE DE OBRAS SUBTERRANEAS Germán E. Figueroa Armando Wong Ramos Luis Vieitez Uteza Daniel Reséndiz Núf\ez Carlos E. Castaneda Narváez Fernando Arean Carrillo Andrés Moreno Fernández M. Luis Salazar Zúf\iga César Mondragón Lerma Hermilo del Castillo Mejía Arturo A. Bello Maldonado Mariano Ruíz Vázquez
IX
CONTENIDO PAG. PROBLEMAS GEOTECNICOS
-
H. DEL CASTILLO MEJ lA
1
OPERACION DE TUNELES
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A. MARTINEZ DURAN
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO
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L. VIEITES UTESA
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METODOS PARA EL DISEÑO DE TU N ELES.
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J. OROZCO Y OROZCO
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ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS.
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J. L. ROSAS
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ESTUDIOS PREVIOS
- C. F. SALINAS F.
EXPLORACION Y MUESTREO PARA DEFINIR PARAMETROS DE DISEÑO DE TUNHES CARRETEROS.
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C. BOTAS ESPINOSA
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EXCAVACION Y ADEMES
-
E.J. FLORES SANCHEZ
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ALGUNOS ASPECTOS SOBRE LA FACTIBILIDAD DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEL CARRETERO EN EL ESTADO DE CHIAPAS. REPUBLICA MEXICANA.
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66
-M. A. C. - H.
CONSTRUCCION DE TUNELES EN SUELOS MEDIANTE EL EMPLEO DE --ESCUDOS O MAQUINA$ ROZADORAS.
PEREZ GONZALEZ BELLO MALDONADO SAUNAS F CANSECO ARAGON
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EXCAVACION DE TUNELES MEDIANTE EL USO DE TOPOS O MAQUINAS EXCAVADORAS DE TUNELES DE ROCA
-H. CANSECO ARAGON
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COSTO DE TUNELES
-V. HARDY MONDRAGON
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PROCEDIMIENTO DE ·coNSTRUCCION PARA LA EXCAVACION DE TUNELES.
-
J. HUIDOBRO
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VOLADURASSUBTERRANEAS
-A. SAMUELSON
-187
ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES
-
M.A. NAVA URIZA
· - Material proporcionado por el personaltécnico de Philips Mexicana S.A. de C.V. División Alumbrado
LA ILUMINACION DEL PUENTE Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO
XI
200
207
PROBLEMAS GEOTECNJCOS
H. del Castillo Mejía
1.
ANTECEDENTES
la construcción de los túneles está, por antonomasia, ligada a la Mecánica de Rocas y a la Geología Aplicada; raros son los túneles cuyo trazo discurra por completo sólo por suelos, aun cuando en esos casos poco frecuentes en número, puedan presentarse algunos de los problemas más difíciles de resolver en el arte de la construcción de túneles, Además, las rocas intensamente fracturadas o las más moderadamente rotas, pero con sus juntas y fracturas rellenas de suelo, presentan comportamientos que resultan imposible de separar nítidamente de los que son objeto de interés por parte de la Mecánica de Suelos. los túneles son quizá la estructura en la que más difícil puede resultar intentar separar las tres disciplinas de la Geotecnia, la Mecánica de Suelos, la Mecánica de Rocas y la Geología Aplicada. la utilización de los t(meles en la tecnología de las vías . terrestres está muy desigualmente repartida. Desde luego estas estructuras constituyen un recurso familiar a los proyectistas y constructores de vías férreas en todo el mundo, pero en las carreteras el empleo de los túneles parece, hasta cierto grado, materia de preferencia personal de .los proyectistas o de costumbres y tradiciones imperantes en cada país. Hay naciones en cuya red carretera el túnel es una estructura frecuente y hasta hay algunas, en que cabría preguntarse si no es demasiado frecuente; muchos países de Europa son ejemplo de todo lo anterior. Hay otras muchas naciones en que, por el contrario, los túneles escasean muchísimo en las redes carreteras o no existen en absoluto.
construcción, iluminación, ventilación, etcétera, que conllevan los túneles. No cabe duda de que el balance de todos estos criterios debe condicionar, en una red de transportes bien concebida, una mayor incidencia de túneles en las vías férreas que en las carreteras, pero también es probable que en estas últimas esta clase de estructuras resulte con cierta frecuencia la económica y la conveniente. El túnel es una estructura de·construcción peligrosa e incierta, pese a lbs avances que sus técnicas him experimentado en los últimos anos; por lo menos esa es la opinión de muchos hombres con experiencia en la construcción de vías de transporte. Mt¡cho más que en ot[aS estructuras de las vías terrestres, ocurren en los túneles situaciones no previstas por la exploración y los estudios previos, que hacen aparecer montos adicionales muy importantes de trabajo, tiempo y dinero que trastornan los programas de construcción y provocan dificultades sociales y políticas; naturalmente que estos riesgos serán tanto menores cuanto mayor sea el monto de exploración y estudios previos que se efectúen. Todo esto influye seguramente bastante en el hecho de que los constructores de carreteras de muchos países los eviten casi siste-. máticamente. Al lado de esto, en esos mismos países, los constructores de vías férreas opinan que los túneles pueden hacerse con seguridad y dentro de normas de programación ·muy razonables; de hecho no es raro que entre Jos proyectistas de los dos grandes tipos de vi as terrestres esté planteada una amistosa, pero muy viva polémica, sobre las virtudes del túnel, los azares de su construcción y los alcances de su ca m. po de aplicabilidad.
Desde luego, el que haya o no un túnel en un determinado lugar de una carretera es, ante todo, una cuestión de topografía, de que exista un obstáculo que al ser atravesado permita ahorrar longitud de trazo guardando los requerimientos adecuados de curvatura y pendiente. En los ferrocarriles, los costos de operación ligados al desarrollo del trazo y las exigencias de curvatura y pendiente son sumamente importantes, por lo cual los proyectistas de vías férreas están acostumbrados a tomar en cuenta el túnel en sus análisis de alternativas y a adoptarlo como solución final frecuentemente, cuando resulta más favorable que las demás soluciones tentativas competidoras.
Las técnicas actuales permiten afrontar la construcción de los túneles con el mis'mo ambiente general de seguridad y esperanza de éxito que se tenga en cualquier otra gran obra de ingeniería. la decisión de construcción de un túnel debe ser, en la gran mayoría de los casos, una cuestión económica y de disponibilidad de equipo, en la que la decisión resulte de la comparación usual entre los costos de construcción, de operación y de mantenimiento. El túnel debe ser sistemáticamente tomado en cuenta dentro del conjunto de soluciones disponibles y construido cuando resulte ser la solución más económica, segura y conveniente.
En las carreteras, las exigencias de pendientes y curvatura son mucho más flexibles y, en muchos país.es, las intensidades de tránsito permiten, por ser relativamente bajas, mayores desarrollos longitudinales, con tal de evitar los costos de
El arte de la construcción de túneles debe figurar en las vías terrestres en otro aspecto diferente del usual. Muchas veces el túnel es una solución muy apropiada para la construcción de alcantarillas, obras de drenaje y de desvío, y también en
transformarse en bidimensionales a medida que las zonas en que se producen van quedando más atrás y el avance de la obra continúa. Los cambios de estados de esfuerzos que produce la excavación no pueden ocurrir sin deformación en el medio; cuando hay revestimientos, éstos se deforman también. Los procesos de deformación resultantes evolucionan con el tiempo, de manera que este último representa una nueva variable en el proceso. La excavación produce cambios en las presiones de poro del agua en su vecindad; como el túnel representa siempre una zona a la presión atmosférica, invariablemente el agua tenderá a fluir hacia su interior. De esta manera, el juego de presiones en el agua constituye otra importante variable del problema; en suelos de permeabilidad relativamente baja, la adaptación de las presiones del agua a los nuevos estados de esfuerzos de ninguna maAeraes instantánea, por lo que el tiempo influye otra vez a través de los mecanismos de evolución de presiones de poro y de transmisión de presiones a la estructura sólida del suelo. La aparición de presiones efectivas allí donde las presiones de poro se vayan disipando es fuente de la generación de nuevos esfuerzos cortantes y de nuevas deformaciones del medio. Todo el cuerpo puede aún complicarse más por la aparición de toda una serie de efectos viscoplásticos, tales como el creep.
estos campos debe de ser tomado en consideración. Los túneles constituyen excelentes obras de subdrenaje. 2. INTRODUCCION El análisis de las presione$ de tierra sobre los recubrimientos de los túneles, se hace generalmente con una metodología que tiene su raíz en los estudios teóricos, pero modificados e influenciados por la intuición y la experiencia, de manera que, a fin de cuentas, el diseño de tales recubrimientos es más un arte que una ciencia. Hay soluciones teóricas del problema que permiten calcular los esfuerzos y las deformaciones de los túneles en materiales idealizados, pero el proyectista debe adaptar los cálculos a materiales reales, cuyas propiedades no necesariamente son las mismas que las de los materiales ideales considerados; además, las propiedades del material real rara vez se conocen en forma segura y cambian mucho en distancias cortas. Como consecuencia, los conceptos presupuestos en las soluciones teóricas a menudo no son muy satisfactorios. Por lo anterior, será preciso continuar investigando el comportamiento de los túneles, para llegar a mejores métodos de análisis; es opinión general de los especialistas que la combinación de estudios teóricos y de conocimiento empírico, resultado de observación y mediciones de comportamiento de túneles reales será el camino más prometedor para llegar pronto a mejorar substancialmente los métodos de análisis de que hoy se dispone o para desarrollar otros nuevos y mejores.
La construcción del túnel no sólo cambia los estados de esfuerzos en el interior del medio, sino que muchas veces cambia el propio medio; el empleo de los explosivos suele reducir la resistencia de rocas y suelos duros en torno a la galería y otros métodos de excavación tales como escudos, producen remoldeo en los suelos vecinos. Solamente en túneles que puedan excavarse en forma manual y en los que no se requiera ningún tipo de ademe podrá pensarse que la perturbación en los materiales de la galería sea realmente pequeña.
El primer requisito para tener un túnel satisfactorio es que pueda construirse en forma segura, de manera que permanezca compliendo sus funciones por sí mismo o con ayuda de un revestimiento. El segundo requerimiento será que la construcción no cause daños a estructuras vecinas, si las hubiere; es frecuente que en las zonas en que las densidades de tránsito y otras condiciones permiten o aconsejan la construcción de túneles (sobre todo carreteros) existan desarrollos urbanísticos que pueden ser influenciados por la obra. Una tercera condición que debe cumplir un túnel satisfactorio es revelarse capaz de permanecer durante toda su vida de servicio a cubierto de las influencias a que pueda quedar sujeto. La primera de éstas será la presión de tierra, pero otros muchos accidentes o circunstancias pueden ser importantes.
3.
La mayor parte de los túneles en suelos han de ser ademados en algún momento de la construcción. Muchas veces el ademe se requiere para garantizar la estabilidad inmediata; en ocasiones, inclusive antes de iniciar la excavación han de mejorarse los suelos involucrados. Los ademes son generalmente rígidos, formados con piezas de madera o de acero, aun cuando con cierta frecuencia se utilizan en una primera etapa otros métodos de soporte que dan lugar a sostenes mucho más flexibles, si bien, aun en tales casos, lo común es construir un ademe rígido muy poco tiempo después. También es común que el revestimiento pueda construirse con un cierto desfasamiento respecto al avance de la excavación, de manera que su erección vaya avanzando a cierta distancia detrás. En este caso se produce una relajación parcial de los esfuerzos en la parte de la excavación no sostenida, la cual está asociada a los movimientos del terreno que se produzcan antes de colocar el revestimiento. También muchas veces se construye un soporte que posteriormente se expande, apretándose contra las paredes del túnel; este proceso induce un incremento en los estados de esfuerzos, tanto en el revestimiento como en el terreno y estos nuevos esfuerzos producen las correspondientes deformaciones.
IDEAS GENERALES SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS TUNELES
La apertura de un túnel cambia las condiciones de esfuerzos en el medio original, que puede concebir6e en principio como una masa en equilibrio dentro de un campo gravitadona!. Los cambios que tengan lugar pueden ocurrir en forma continua o por etapas, hasta que llegue a alcanzarse una condición final en la masa, ya relativamente invariable, que puede considerarse como de equilibrio definitivo. Esta condición final implica nuevas condi.ciones hidráulicas en el subsuelo y el cese de las deformaciones y los cambios de esfuerzo producidos por .la excavación.
Aun cuando no haya amenaza de un colapso, derrumbe o cierre de la excavación, puede requerirse el revestimiento como forma para mantener las deformaciones de la excavación en límites tolerables. Deformaciones muy grandes pueden distorsionar en exceso la sección estructural o producir cam-
Cuando se excava un túnel se produce una región de esfuerzos cambiantes, en la que generalmente se incrementan Jas presiones verticales y que se localiza en el frente de la excavación, desplazándose con ella. En el frente, los estados de esfuerzo son netamente tridimensionales, pero tienden a
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bios en la superficie del terreno o danos a estructuras próxilnas; además, las grandes distorsiones suelen producir reducciones indeseables en la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, como consecuencia de degradación estructural. De esta manera, ademe colocado a tiempo, puede impedir e.l desarrollo ultenor de fuertes presiones de tierra. los matenales expansivos, los que muestran tendencias a creep 0 las rocas con juntas rellenas de suelos arcillosos no pueden alca.nzar, de hecho, ninguna condición satisfactoria de equilibno fmal SI no se ademan y ello aun cuando inicialmente no presenten ningún signo de inestabilidad.
que se coloca para ayudar al material excavado a soportarse a sí mismo. Desde este punto de vista es muy importante el control de los movimientos, pues .mientras los muy grandes aflojan y debilitan al medio, haciéndolo perder capacidad de SOP<;>.rte, los demasiado pequenos pueden impedir también, ya s~ diJO, que el material desarrolle toda su capacidad. E1permitJr que tengan lugar los niveles apropiados de desplazamiento es uno de los puntos esenciales también en el diseno de revestí~ mientos. El cómo controlar los movimientos depende mucho de las propiedades del material y de la naturaleza del propio revestimiento; para unas condiciones dadas existe una combinación óptima de flexibilidad y rigidez.
e!
Es posible e indeseable impedir del todo las deformaciones necesaria para llegar a de la galería. Algo de deformación una distribución favorable de las presiones y el ingeniero debe en cada caso determinar qué monto de movimiento mínimo debe tolerar para obtener beneficio y a partir de qué momento la deformación le resultará desfavorable. Este control de la deformación se hace sobre todo con restricciones y .acunamientos en el revestimiento. Las cargas que soporte un ademe o un revestimiento dependen de la condición del suelo en el momento en que dicho soporte se coloca; si el suelo hubiese alcanzado una condición de equilibrio final antes de que se coloque el revestimiento, éste no recibirá empujes posteriores, pero si el revestimiento se coloca antes de alcanzar el equilibrio final, representará una nueva condición de frontera al estado de esfuerzos y .deformaciones preexistentes, de manera que estos estados evolucionarán de manera diferente a que si el ademe no se hubiera puesto.
es
4.
TIPOS Y CAUSAS DE LAPRESION DE TIERRAS Y ROCAS EN TUNELES
En .la naturaleza, las rocas están sujetas a su propio peso y al peso de las masas sobreyacentes; como consecuencia, en su interior se desarrollan esfuerzos y deformaciones que se producen entre las partículas individuales constituyentes. Mientras la roca o un suelo duro estén confinados, no podrán producirse los desplazamientos interparticulares necesarios para que se desarrollen los estados de deformación correspondientes a los esfuerzos actuantes, por lo que éstos se acumulan o almacenan en el material, pudiendo llegar a valores muy altos, muy por encima de los límites de fluencia. Tan pronto como este material así esforzado pueda moverse, ocurrirán en él desplazamiento en forma de flujos plásticos o, inclusive, de "explosiones", en las que fragmentos de la roca o del suelo duro pueden salir proyectados violentamente; sólo si los esfuerzos residuales no han sobrepasado el límite elástico del material, ocurrirán desplazamientos en el rango elástico.
La excavación hace que, por lo menos durante un tiempo, los esfuerzos normales radiales en la frontera del material se reduzcan al valor de la presión atmosférica y esto conduce a· tales deformaciones en las paredes, que los esfuerzos que actúan finalmente sobre cualquier revestimiento que se coloque no se parecen en nada a los esfuerzos que había originalmente en el medio.
Las excavaciones que se hagan en el interior de la masa crean siempre un espacio vacío hacia el que se posibilitan los desplazamientos; a la vez, los pesos de los materiales suprayacentes actúan como una carga repartida sobre el techo de la excavación producida. la resistencia del suelo o de la roca proporciona los elementos resistentes, casi en nada movilizados antes de la excavación, como consecuencia de la situación prevaleciente de deformación impedida. Para mantener el orificio practicado, que tratará de cerrarse por sí mismo, suele ser necesario emplear elementos auxiliares de retención. la presión que estos elementos reciben del material que actúa en contra de ellos es la carga de roca o la carga del suelo, o la presión de roca o la presión de suelo, como también suele decirse.
la construcción de los túneles produce cambios radicales en las condiciones hidráulicas del subsuelo; éstos pueden ser temporales o definitivos, según sea la permeabilidad de la estructura. Un túnel generalmente produce abatimiento del nivel freático vecino a él y ello hace aumentar los esfuerzos efectivos en la masa de suelo y los pesos de esa masa, de donde resultan asentamientos no reversibles. Si el revestí. miento del túnel es impermeable o se toman precauciones para restaurar el contenido de agua y la condición de la misma en el suelo, el nivel freático se recuperará al cabo de un tiempo; en caso contrario el túnel será un dren permanente. La primera actitud conduce a la necesidad de que los revestimientos soporten adicionalmente presiones hidrostáticas, en tanto que la segunda exige tomar todas las precauciones para que el túnel funcione efectivamente como un dren, sin que ello interfiera en su utilización principal.
.
la determinación de estas presiones en un caso dado es uno de los problemas más difíciles a que puede enfrentarse un ingeniero geotécnico. Las dificultades provienen, no sólo de lo difícil que pueda ser establecer las condiciones primarias u originales de los esfuerzos en la masa virgen, sino también del hecho de que el estado de esfuerzos se modifica alrededor de la excavación, una vez practicada ésta y, como ya se comentó, esas modificaciones dependen de muchos factores difíciles de valuar, tales como la naturaleza y resistencia del suelo o roca, del tamano del orificio practicado, del método con que se produjo, de la forma y rigidez de Jos elementos de soporte que se empleen y del tiempo que se haya dejado la excavación sin sostén, antes de ponerlo.
Es evidente que siempre será económico y deseable un criterio de diseno que haga el máximo uso posible de la capacidad del material para soportarse a sí mismo. Una elección apropiada de los sistemas de revestimiento y de los momentos en que se instalen puede contribuir a minimizar las cargas de tierra y a hacer que el medio tome por sí mismo la mayor parte de sus ·presiones. De hecho, y·ésta es una regla fundamental, un revestimiento debe contemplarse siempre como una restricción
la historia de esfuerzos residuales de una masa rocosa o de
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penden mucho en magnitud del momento de la instalación del ademe o de las características de éste, si bien la distribución de la presión si se ve afectada por estos conceptos. la presión de rocas y suelos firmes, en cambio, si se ve afectada por el momento en que se coloque el ademe, porque las deformaciones que siguen a la excavación varían mucho con el tiempo.
un suelo firme queda de un modo u otro reflejada en todo el conjunto de grietas, fisuras u otros accidentes que existan, pero suele resultar extraordinariamente difícil el poder establecer cuáles de esos esfuerzos actúan aún y juegan un papel. los suelos transportados se depositan en forma más o menos ininterrumpida y uniforme, adquiriendo un perfil de estratificación que suele ser relativamente poco perturbado por influencias externas. los estados de esfuerzos residuales no alcanzan generalmente valores muy elevados y es común considerar en los análisis de presiones sólo los esfuerzos verticales debido al peso de los estratos sobreyacentes y los horizontales, producidos como consecuencia. En los suelos residuales, por el contrario, es mucho más cercana la situación a la que prevalece en los macizos rocosos y la herencia de la roca original se manifiesta no sólo en accidentes, fisuramientos o fracturamientos, sino también en estados de esfuerzos previos de tipo residual. Otro tanto sucede en las formaciones de roca fragmentada o de roca fisurada, que figuran en la frontera entre suelos y rocas. De esta manera han de establecerse diferencias básicas, desgraciadamente no bien dilusidadas, entre las formaciones de suelos transportados y las de suelos residuales o las de materiales de comportamiento que pudiera considerarse mixto. Parece probable que en las formaciones de suelo residual o en las formaciones de roca fragmentada, o muy fisurada (con esas fisuras rellenas de suelo) lo razonable sea estimar las presiones con métodos que no se aparten mucho de los que establece la Mecánica de Rocas, en tanto que en las formaciones de suelos transportados podrán utilizarse esquemas más sencillos, que consideren sólo el esfuerzo vertical del peso y el horizontal causado por el anterior.
las razones para que se desarrollen las presiones sobre los ademes son las siguientes: Aflojamiento de las masas de roca o suelo firme El peso de masas sobreyacientes las fuerzas tectónicas Expansión del material en que se excava el túnel Estos mecanismos conducen a la aparición de tres tipos de presiones sobre los techos de los túneles: Presión por aflojamiento Verdadera presión de montaña Presión por expansión Estos tipos de presiones pueden presentarse individualmente o en conjunto. El tipo de presión que se desarrolla en un caso dado depende mucho de la naturaleza del material sobre y alrededor del túnel. Conviene diferenciar tres casos: Rocas sanas y masivas Rocas blandas o meteorizadas. Suelos residuales duros
la experiencia actual parece probar que en las rocas los estados de esfuerzos no se establecen en la forma diferenciada entre esfuerzos horizontales y verticales que es común aceptaren los suelos; hay indicaciones importantes en el sentido de la existencia de estados iniciales hidrostáticos, antes que orientados y a éstos se sobreponen Jos esfuerzos tectónicos muchas veces actuando en sentido opuesto al campo gravi~ tacional. las juntas de las rocas, con sus orientaciones en cualquier dirección parecen comprobar que la dirección vertical no es en las rocas, ni con mucho, tan privilegiada como suele considerársela en los suelos.
Suelos blandos, residuales o transportados 4.1
Presión por aflojamiento
Cuando se afloja la masa de roca o suelo firme sobre el techo de un túnel, por efecto de la excavación y del peso de la carga sobreyacente, el comportamiento de esa masa puede asimilarse al de una masa de suelo granular colocada en un silo, cuando en el fondo de éste se abre una abertura. Esta es la condición de presión que consideró Terzaghi en sus análisis sobre empujes en túneles de manera que la presión por aflojamiento de la roca se considera hoy básicamente representada por los mecanismos de arqueo propuestos por él; éstos se desarrollan más cuanto más friccionante y menos cohesivo sea el suelo o la roca fisurada o fragmentada; ello no quiere decir que estos efectos no ocurran en cierta escala en suelos cohesivos; en éstos el aumento de presión posterior y la llegada al equilibrio final ocurre más lentamente y la disminución de presión por arqueo será más grande cuanto mayor sea la cohesión. ·
En los suelos transportados, especialmente en los depósitos arcillosos, es común observar que las presiones laterales no se desarrollan de acuerdo a lo que sería de esperar a partir de las deformaciones correspondientes, sino que van sufriendo un cambio gradual desde la condición inicial, en que el esfuerzo horizontal es una fracción del vertical hasta una condición final más parecida a la hidrostática. A partir de los trabajos de Terzaghi se ha hecho costumbre expresar las presiones secundarias de roca o suelo firme, es decir, aquellas que se ejercen sobre los ademes después de excavar el túnel, como el peso de una masa de una cierta altura sobre el túnel; se considera que ésta es la masa que se caería en primera instancia si no se colocara ningún ademe. las deformaciones del sistema de soporte producen arqueo posterior de la masa sobre el techo y alivio de la presión. El propio Terzaghi distingue el caso de las presiones ejercidas por Jos suelos plásticos blandos, en las que la deformación posterior del ademe no produce alivio. Estas presiones no de-
4.2
Verdadera presión de montaña
Este fenómeno aparece cuando los estados de presión secundarios que se desarrollan ya excavado el túnel, en sobreposición a los esfuerzos primarios en la masa, existentes antes de efectuar la excavación, exceden la resistencia del material excavado y no sólo en el techo, sino en los lados y aún en el piso del túnel; es decir, cuando los esfuerzos secundarios alcanzan un orden de magnitud semejante al límite de plastici-
4
dad del material. La condición puede producirse por una sobreposición de esfuerzos, en la que los esfuerzos originales del material se combinan con los .que se producen sobre un ademe como consecuencia de la excavación: pero también puede ser una condición natural, existente en el material antes de excavarlo, cuando en él existe lo que se llama un estado plástico latente, en el cual el flujo plástico de la roca o de un suelo residual muy firme se ha mantenido impedido por el confinamiento de masas vecinas. las experiencias de Karmán han demostrado que bajo estados triaxiales de compresión aún los materiales más duros pueden llegar a plas'fuicarse; todo es cuestión de la magnitud de los esfuerzos que se apliquen.
to y se caracteriza por un flujo plástico de la periferia hacia el interior, este fenómeno toma, en cambio, la forma de un fracturamiento sucesivo en materiales más duros. En términos generales, la zona plástica se desarrolla en mayor extensión cuanto más altos sean los esfuerzos en juego y más blanda sea la roca. o
En el caso del material de una montana a través de la que se. excava un túnel, el que el material esté previamente en esta. do plástico latente es simplemente cuestión de que la magnitud de las presiones verticales sea suficientemente grande(lo cual suele estar asociado a profundidades de cubrimiento importantes) y de que las expansiones laterales estén suficientemente impedidas. la condición no se manifiesta hasta que la deformación plástica pueda tener lugar; es decir, hasta que el confinamiento lateral desaparezca, lo cual ocurre · cuando se produce la excavación del túnel. Cuando aparece verdadera presión de montana comienzan a manifestarse movimientos en las paredes del túnel y solamente se manifiestan las presiones cuando el ingeniero intenta impedir esos movimientos. Si se permite el desarrollo de tales movimientos hasta que gradualmente decrezcan por sí solos, se creará una zona alrededor de la excavación libre de estas presiones. El efecto de esta región plastificada alrededor de la cavidad es producir una zona de esfuerzos relajados o aliviados; en esta zona el material está en el límite plástico. la genuina presión de montana es esencialmente una manifestación de las presiones geostáticas, que depende en mucho de la estructura geológica y de las perturbaciones tectónicas. Muchos autores consideran a esta presión como una presión primaria, de las que se refieren a los estados iniciales de esfuerzos, prevalecientes antes de excavar el túnel. Otros autores la consideran una presión secundaria puesto que se manifiesta cuando las presiones tangenciales que actúan en 'las paredes del túnel alcanzan un valor límite y exceden la resistencia a la compresión no confinada del material.
Como· se dijo, la presión ejercida sobre un ademe por este concepto depende de la flexibilidad del ademe y de la naturaleza del suelo o de la roca. Si basta una cedencia pequena para que la zona plástica se desarrolle por completo y las presiones se alivien, pudiera resultar conveniente colocar un ademe que tenga la posibilidad de ceder lo necesario; para estos casos, Mohr ha recomendado colocar un colchón de ceniza u otro material equivalente, entre el ademe y el túnel, para que este colchón proporcione la cedencia correspondiente. En. otras ocasiones, como ya se dijo, la intensidad de los movimientos en las paredes y en el techo del túnel, necesarios para que se desarrolle la zona plástica de presión disminuida, son tan importantes que no se puede permitir que ocurran por completo; en este caso, la magnitud de las presiones ejercidas aumenta en proporción al esfuerzo que· se haga para· impedir la cedencia del material. Estas presiones han de tomarse con ademe suficientemente resistente, espaciado lo necesario. En los suelos y rocas blandas, tambíéri se dijo que el desarrollo de la zona protectora es lento, por lo que las presiones iniciales pueden estar creciendo durante varios. meses después de colocado el ademe. la presión de IT!Ontana puede alcanzar miles de toneladas por metro cuadrado, al grado de hacer irrelevante cualquier sistema de ademe en que se piense, para estos casos de intensa presión, la colocación inmediata del ademe es negativa y si el revestímiento permanente ha de construirse antes· de que se desarrolle la deformación necesaria para un substancial y definitivo alivio de la presión, debe dejarse un espacio entre el revestimiento y el túnel y éste rellenarlo de escoria, cenizas o algún otro material cedente.
En tanto que en· el caso de las presiones por aflojamiento, la mejor norma suele ser excavar rápidam~nte y construir lo más pronto que se pueda un ademe cercano al frente de la excavación, en el caso de la presión de montana, según se desprende de todo lo anterior, no puede darse una regla única, independiente de la naturaleza.del material excavado. En las rocas duras y masivas, los fenómenos de presión de montana suelen manifestarse con la aparición de roca explosiva · que no afecta mayormente la estabilidad. En estos casos conviene usar un ademado rígido, coloéado tan pronto como se excava el material. En materiales blandos, no conviene la constr~cCíón inmediata, puesto que no daría tiempo al desarrollo de zonas plásticas de protección. Por otra parte, no puede pensarse en construir un ademe que resista toda la presión de montana susceptible de desarrollarse. Sin duda la mejor práctica es construir un ademe reemplazable, que se pueda ir sustituyendo a medida que se permita la cedencía del material; ya se mencionaron los criterios para hacer frente a aquellos casos en que una cedencia pequena basta para · aliviar la presión.
El efecto de la presión de montana depende del carácter de la roca o suelo. En arcillas, lutitas o en pizarras arcillosas se· produce un flujo en toda la periferia de la excavación; a la vez, los esfuerzos se alivian y se redistribuyen, la zona plástica aumenta de tamano y puede alcanzarse eventualmente una condición de equilibrio. Por el contrario, en materiales fuertemente pre-esforzados, el flujo puede continuar hasta que se cierre la cavidad. Al colocar un ademe, se reduce la zona plástica y puede llegarse a la estabilidad, a condición de que sea capaz de soportar las fuertes presiones que se producen como consecuencia de la restricción. Estas dependen de la flexibilidad del ademe y de lo que se hubiera desarroll.ado la zona plástica antes de construirlo.
4.3
Presión por expansión
Bajo ciertas condiciones se ha encontrado presión por expansión en arcillas, lutitas y pizarras alteradas o en otras rocas interestratifícadas con arcilla. la explicación a esta expansión
En las rocas poco duras o en los suelos, el desarrollo de lazona protectora en torno al orificio del túnel es mucho más len-
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es de esperar el desarrollo de presiones de montaña aún con cubrimientos poco espesos. Presiones laterales o en el techo que se encuentren muy cerca de los portales, en túneles excavados en formaciones relativamente estables, ser'án indicio de la existencia de presiones por expansión. Una identificación más precisa de las presiones de expansión sólo es posible al investigar muy acu<:iosamente las propiedades físicas de los suelos.
fue ofrecida por Terzaghi y se fundamenta en relajaciones no uniformes de los esfuerzos, causados por migraciones del agua de los poros del suelo de las zonas más esforzadas a las menos, que correspondientemente se expanden. Como resultado de la excavación, seguramente quedan en la condición de zonas menos esforzadas todas las de la periferia del túnel, sobre todo las del frente de ataque, en que aún no se pudo colocar ademe; también suelen ser críticos el piso del túnel y las ~ partes bajas de las paredes, a no ser que se use un completo ademe periférico. En estas condiciones, ocurrirá una migración de agua de los poros del interior de la masa a la periferia del túnel, con la correspondiente expansiÓn en estos lugares. Hasta hoy no se pueden prever las presiones por expansión. Cuando se han medido, se ha visto que pueden ser muy intensas (de decenas de kilogramos por centímetro cuadrado) y desarrollarse durante largo tiempo (semanas o meses), creciendo siempre. Cuanto mayor sea la deformación que se permita, más se aliviará la presión sobre cualquier ademe y este hecho ha fijado la norma de conducta para contrarrestarla, la cual consiste en permitir la deformación del material hasta un cierto límite y construir entonces un ademe sólido, capaz ya de resistir las presiones adicionales. El punto delicado estará en saber elegir el momento de la construcción y en valuar el monto de la presión que aún Sf1J:UOducirá.
MuGtRls veces las presiones de expansión son consecuencia de transformaciones químicas de los suelos cuyo contenido de agua aumenta; un caso típico es la transformación de anhidrita en yeso.
-
De todo lo antes dicho, se desprende claramente que el monto de las presiones de expansión que se desarrollen depende mucho de la naturaleza del ademe que se coloque y de la cantidad de expansión que éste aún tenga que soportar. 5.
CONCLUSIONES
Los problemas geotécnicos que se presenten en los túneles, deben estudiarse y resolverse tomando en cuenta la estabilidad propia del túnel y que las estructuras que existan en la superficie no se perjudiquen por la existencia de esta obra.
Muchas veces es muy difícil distinguir la presión por expansión de la verdadera presión de montaña; el problema se dificulta aún más, pues lógicamente los suelos y las rocas expansivos tienen módulos de deformación muy bajos, en los que
6.
REFERENCIAS
Rico A, del Castillo H. (1974), "La ingeniería de suelos en las vías terrestres", Limusa S.A., México, D.F.
6
OPERACION DE TUNELES
A. Martínez Durán
1.
objecivo de permitir el transporte por medio de vehículos aut->propulsados, en las mejores condiciones de seguridad, economía y comodidad compatibles con su función.
INTRODUCCION
El desarrollo que ha presentado el país en los últimos anos; se ha traducido para el sector transporte en un importante incremento en el movimiento de bienes y personas que hamotivado una mayor motorización y un senaladci aumento del tránsito en la red carretera.
Vista así, la solución túnel debe contemplarse con naturalidad, como lo, que es, una alternativa ingenierilmente válida y no verla como un tabú envuelta en el misterio de lo desconocido como sucede, da esa impresión, en su aplicación a túneles carreteros, quizás por la gran variedad de aspectos a considerar en este tipo de obra.
Así, el parque vehicular del país en los últimos anos ha crecido a una tasa de 15% promedio anual pudiéndose decir que actualmente circulan por las calles y carreteras nacionales, alrededor de 7 000 000 de vehículos, de los cuales, la proporción que transita la red carretera federal genera un movimiento diario de 103 millones de veh-km, cifra que significa, si se distri· buyera uniformemente el tránsito en la red federal. una utilización promedio de todos los tramos carreteros por volúmel)es de tránsito diario de 2 500' vehículos.
los túneles carreteros, principalmente cuando son de gran longitud, o sea del orden de 1 000 metros, requieren de una elevada concentración de inversión, razón por la cual justifican gastos en el proyecto fuera de lo común, esto debe entenderse porque se· trata de obras cuyo costo resulta del orden de $500 000.00 a $1 000 000.00 por metro lineal.
Se ha determinado, por medio de los aforos de tránsit<;>, que una tercera parte de la red básica soporta volúmenes de más de 4 000 vehículos diarios, mismos que generan bajos nweles de servicio y operación deficiente en cerca de 10 000 km de la propia red.
Para este caso se requieren estudios interdisciplinarios con suficiente grado de detalle, a nivel de anteproyecto, para obtener presupuestos.confiables, hasta donde es posible, que retroalimenten el estudio de factibilidad económica para la decisión final en cuanto a la programación de la obra.
Para mejorar los niveles de servicio y por con~;guiente la operación de esos 10 000 km, se ha establecido un programa de modernización de carreteras, en el que el análisis de los proyectos, al igual que en el programa de ca.reteras nuevas, debe considerar el estudio de diferentes alternativas, entre las que se deben contemplar las soluciones a base de túneles en ciertos tramos, cuando las condiciones del terreno sugieran esa factibilidad.
2.
OPERACION
En los túneles carreteros o eón mayor amplitud en los túneles viales que incluyen el medio urbano, debe distinguirse operación eh el túnel de operación de/ túnel. El primer caso se refiere á las características del tránsito y su comportamiento dentro del túnel y el segundo, al equipamiento del propio túnel para ofrecer seguridad y comodidad al tránsito y en última instancia al usuario, aunque debe reconocerse que existe una estrecha vinculación entre estos dos cpnceptos.
los proyectos de las carreteras, se desarrollan bajo una metodología conocida que consid_era tres etapas, la selección de ruta, el anteproyecto y el proyecto definitivo. las distintas alternativas se plantean originalmente en la etapa de , selección de ruta y aquéllas que resultaron con mejores posibilidades se analizan a nivel de anteproyecto para seleccionar la que deba pasar a proyecto definitivo para su construcción.
2.1
Operación en el túnel
Depende de los volúmenes y composición del tránsito, pues representan el dato a partir del cual se establecen las especificaciones de proyecto que permitirán disef\ar las características geométricas de la planta, el perfil y la sección transversal desde el punto de vista del tránsito. Requisitos geológicos, geotécnicos, de drenaje, ventilación y demás relativos al equipamiento del túnel, cpnstituyen elementos de igual jerarquía para definir la geometría que finalmente integrará el proyecto.
Dentro de este enfoque metodológico del proyecto, el túnel, como un puente o un viaducto, constituye como obra especial producto del ingenio del hombre, una solución para salvar un obstáculo y debe considerarse .parte de un todo, más importante, como lo es en sí la carretera, que debe cumplir con su
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3%, debiéndose revisar el perfil con un análisis de capad-
En la actualidad, los proyectistas de carreteras disponen de ·especificaciones relacionadas con las características geométricas de las carreteras al aire libre. E1 problema para un proyectista de túneles, es conocer en qué medida las características geométricas recomendadas para las carreteras al aire libre, pueden adoptarse o reducirse para la construcción de túneles sin que esto tenga efectos desfavorables para la fluidez de la circulación y la seguridad. Sobre este particular a continuación se expresan algunos conceptos y criterios.
..dáá y nivel de servicio del túnel para asegurarse que no se genere un cuello de botella. Cabe senalar, que en los túneles que requieren de ventíla~ión artificial, se originan aumentos importantes del aire necesario para diluir los gases nocivos y humos que adicionalmente resultan de las pendientes elevadas, así, a manera de ejemplo, se tiene que para una pendiente de 4% el incremento a la circulación del aire resulta del 20% en relación a una rasante a .nivel.
En cuanto al cálculo de la capacidad y niveles de servicio, puede decirse que en la etapa actual de conocimientos, los métodos de cálculo y los valores utilizados no se diferencian de los aplicados para vías al aire libre, por lo cual, los volúmenes de servicio y la capacidad determinados para el proyecto Y su evaluación, no requieren de co'nsideraciones especiales en el caso de túneles.
Para túneles de dos carriles, uno en cada sentido de la circulación, se recomienda no exceder un valor de 2% en la pendiente para evitar la formación de tapones o largas colas en la circulación, originadas por los vehículos pesados. En nuestro país, estos vehículos representan un 30% a 40% de la circulación dependienta del tipo de carretera.
Por lo que se refiere a la selección de las especificaciones de proyecto geométrico, debe apuntarse que deben ser consistentes con la velocidad de proyecto y las propias especificaciones de la autopista o carretera al aire libre.' Sin embargo, debe tenerse en mente que un túnel es una obra de carácter permanente, no susceptible a modificaciones en trazo y perfil ni a ampliaciones de la sección transversal, de ahí que sus especificaciones deban .concebirse con criterios generosos.
la longitud de las curvas verticales debe garantizar que en cualquier punto dentro del túnel y en sus accesos, se otorgue la distancia de.visibilidad de parada para la velocidad autorizada como medida mínima de seguridad; sin embargo, principalmente para el caso de 2 carriles de circulación, uno en cada sentido, se recomienda, siempre que sea posible, proporcionar la distancia de visibilidad de rebase como medida de mayor seguridad,· aún cuando. se reglamente la prohibición de rebase o cambio de carril en el interior. ·
Para el trazo en planta, debe procurarse que el túnel se aloje en tangente y si es necesario introducir una o más curvas, que éstas resulten del menor grado de curvatura posible, debe recordarse que a menor curvatura se requiere menor ampliación en la sección transversal con la consiguiente reducción en costo, además de las ventajas operacionales que ofrecen las curvas suaves.
La pendiente mínima en este tipo de obra, debe garantizar el drenaje de las aguas durante y después de la construcción, por Jo cual se deben prever pendientes para este caso, del orden de 0.25 a 1.00%.
Los accesos al túnel deberán trazarse, si es el caso, introduciendo grados de curvatura que permitan una transición de velocidades adecuadas a las que se tendrán fuera y dentro del túnel como medida de seguridad, pues cualquier accidente en esos sitios podría provocar un congestionamiento dentro del túnel, situación totalmente inconveniente.
El proyecto de la sección transversal constituye un capítulo que merece especial atención, puesto que su forma y dimensiones insiden en forma muy notable en el costo de la obra como resultado de la integr~ción de los requisitos impuestos, por el tránsito para su .correcta operación, por el equipamiento del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios y .por los estudios geológicos, geotécnicos e hidrológicos para la estabilidad de la obra.
El trazo debe prever que los entronques se retiren a la mayor distancia posible de los túneles, pues las rampas de acceso y los entrecruzamientos constituyen puntos de conflicto que en el interior de estas obras significan un mayor peligro potencial, por el tiempo que requiere el conductor para adaptarse de la condición de alumbrado natural al artificial o viceversa; esto, además del impacto en el costo al requerirse una mayor sección transversal en esas zonas.
Así, en cuanto a los requisitos impuestos por el tránsito, se considera que la sección transversal para un tubo que contenga dos carriles, debe presentar un ancho total de 9.50 m con el siguiente arreglo: dos carriles de 3.50 m cada t,~no, fajas de contracción por banquetas de 0.50 m a cada lado y banquetas de 0.75 m, también a cada lado.
El alineamiento vertical o perfil de u.n túnel tiene un efecto muy importante en la capacidad y operación del tránsito, por lo cual, su proyecto requiere de especiales cuidados en los siguientes aspectos:
H carril de 3.50 m de ancho, desde el punto de vista de la capacidad y de la seguridad, ofrece las mejores condiciones de operación; la franja de 0.50 m para disminuir el efecto de contracción del tránsito por la presencia de un obstáculo lateral como es la banqueta, ofrece mejores condiciones de seguridad y permite que el tránsito conserve la velocidad de operación sin disminuirla; las banquetas son necesarias para protección de peatones en caso de alguna emergencia y para las labores de conservación de los dispositivos de seguridad, alumbrado y senalamiento alojados en las paredes del túnel.
Las pendientes máximas en los accesos al túnel y dentro de él, deben tener un valor tal que permita la circulación de los vehículos pesados a una velocidad mínima del orden de 50 km/h lo cual impone pendientes máximas de.2.5 a
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Se recomienda que las banquetas sean bajas con guarnición montable para que en caso de la descompostura de algún vehículo, éste pueda hacerse a un lado· sobre la banqueta, permitiendo en esta forma mantener el flujo en dos carriles aunque con restricción en la velocidad.
El cálculo de la renovación de aire fresco, se basa en la deter· minación de los volúmenes de tránsito. Para túneles urbanos generalmente se usan los valores que corresponden a la capacidad, o sea, 2 000 vehículos ligeros por hora y por carril; sin embargo, es frecuente considerar condiciones de congestionamiento en que se tienen avances sucesivos de pocos metros, tomándose para este caso, valores de densidad del tránsito de 180 vehiculos ligeros por carril y por kilómetro. Para túneles en el medio rural, que manejan altos volúmenes de tránsito, se recomienda tomar, para el cálculo, el volumen correspondiente a la capacidad.
Es importante senalar que, pára asegurar la continuidad del· flujo de tránsito en toda la carretera, se recomienda no reducir en un túnel el número de carriles que tiene la carretera al 1 aire libre. En lo que se refiere al gálibo vertical que se requiere para la circulación de los vehículos, la experiencia en nuestro país, derivada de la observación de pasos a desnivel; senala la conveniencia de proyectar con gálibos de 5.00 m para evitar danos al túnel, a sus instalaciones y a los propios vehículos.
A partir del volumen de tránsito definido con los criterios antes senalados se determinan las cantidades de monóxido de carbono y de humos que se requiere diluir con la inyección de aire fresco, a través del sistema de ventilación conveniente para cada caso particular, pudiendo ser el sistema seleccionado del tipo longitudinal, semitransversal o transversal, enunciados del de menor al de mayor costo.
Los requisitos impuestos por el equipamiento del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios, condicionan las dimensiones de la sección transversal para disponer de los espacios necesarios para alojar los duetos de ventilación o un mayor gálibo vertical si se requieren aceleradores para ventilación longitudinal. En los túneles abovedados, la ventilación generalmente no influye en las dimensiones de la sección.
El equipamiento de un túnel largo con elevados volúmenes de tránsito, requiere de dispositivos de detección de monóxido de cárbono y de humos, que determinen su concentración en la atmósfera del túnel y transmitan esa información a una sala de control de operación en donde a través de una computadora se regule la inyección de aire fresco.
En lo que se refiere a iluminación, en los túneles abovedados y en los circulares con falso plafón, así como en los rectangulares cuando las hileras de alumbrado y los dispositivos de senalamiento se colocan sobre la calzada, debe considerarse una altura adicional igual a la de esos dispositivos.
El paso de las condiciones de luminosidad del exterior al interior de un túnel, exige del conductor de un'vehículo un esfuerzo de adaptabilidad a los cambios de luz. La adaptación residual al cambio de luz es una función' de la retina y requiere de un tiempo mayor al pasar de luz a obscuridad que el necesario en el caso contrario. Es por ello que, como una medida importante de seguridad, se especifica la iluminación, con base en criterios y normas que consideran la longitud del túnel, la velocidad de operación, los tiempos de adaptación de la retina, los niveles de luminosidad en los accesos al túnel y el tipo de vehiculos que circulan, ya sea en un solo sentido o en ambos.
Se debe prever que la conducción de cables para las distintas instalaciones del túnel, se aloje en un lugar accesible y que permita inspeccionarlos en toda su longitud. En el caso de túneles de sección abovedada o circuléir, conviene utilizar los espacios disponibles fuera de la sección de circulación del tránsito. Es importante senalar que la forma y el dimensionamiento finales de' la sección transversal del túnel, para efectos de construcción, se derivan de los estudios geológicos y geotécnicos, que ,también determinan el espesor requerido del revestimiento del propio túnel y solucionan la impermeabilización y los requerimientos de drenaje con la asesoría de un. hidrólogo de ser necesario. Debe considerarse también, para el dimensionamiento de la sección, el espesor suficiente para alojar el pavimento. 2.2
Cabe senalar, que los proyectos de iluminación de túneles deben ser realizados por ingenieros especialistas en iluminación, conocedores de las normas y criterios que sobre el particular existen. El control de la circulación dentro de los túneles muy largos o con tránsito intenso, resulta indispensable para el logro de una fluidez en la circulación que sea compatible con la demandé: máxima del tránsito, para evitar embotellamientos en caso de descomposturas o accidentes y para proporcionar seguridad y comodidad al usuario a través de un sistema de información adecuado. Otra función del control de la circulación, es la de reducir los gastos de la energía que requiere el funcionamiento de la ventilación.
Operación del túnel
Como ya fue expresado, se refiere al equipamiento del' propio tanel, necesario para ofrecer al usuario condiciones de seguridad y comodidad que le den confianza para transitar en un ambiente ajeno a su costumbre, con garantías de seguridad fisiológica y física. La contaminación, originada por los vehlculos en circulación que desprenden gases tóxicos como es el monóxido de carbono (CO) y humos de los vehículos diesel, requiere disminuirse por medio de inyección de aire fresco que diluya esos contaminantes para asegurar una pureza conveniente de la atmósfera dentro del túnel.
El control reviste varios aspectos que en los casos más complejos puede comprender: La integración de la información proveniente del túnel, como es la velocidad y la densidad, que procesada en compu-
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tivamente bajqs, el equipamiento del túnel puede corresponder al 28% del costo total.
tadora proporciona datos sobre la velocidad necesaria para mantener un nivel de servicio compatible con la demanda máxima del tránsito.
Los costos de operación representan un parámetro fundamental para la evaluación de este tipo de obras, ya que adicionalmente a los costos de conservación normales en una carretera, el túnel debe ser ventilado y continuamente iluminado y vigilado por el personal encargado de su operación, lo que hace que sus costos sean considerablemente mayores a los de las carreteras en la superficie.
La detección automática de las paradas o de las reduccione~ de velocidad. b
La vigilancia por televisión de todo el espacio disponible para la circulación. Un sistema de control automático de la ventilación.
Un enlace por radio entre el diverso personal que debe intervenir en cada caso.
En el mismo estudio de costos realizado en Inglaterra, al que ya me he referido, se indica que el valor presente, del flujo total de costos de operación y renovación del equipo del túnel, representa del 5% al10% de los costos de construcción de los túneles carreteros construidos en buen terreno y que ese porcentaje resulta considerablemente menor para túneles de elevados costos de construcción.
Un sistema eficaz de alarma. Un sistema eficiente de información a los usuarios en cuanto a senalamiento, altoparlantes y radio, con el fin de influir en su comportamiento. La individualización de los carriles a nivel de senalamiento.
Para terminar, permítanme hacer una reflexión:
Es evidente que un sistema como el descrito, resulta costoso desde el punto de vista de la instalación y de la conservación, por lo que debe preverse sólo en los túneles de importancia; en túneles cortos o de poco tránsito, est~s equipos deben limitarse y se recomienda realizar aforos para conocer la evoludón de los volúmenes de tránsito para prever la operación futura.
Considero que la solución túnel, es una alternativa que debe contemplarse con mayor frecuencia en los estudios previos de carreteras que manejarán volúmenes de tránsito más o menos elevados, para ello es necesario que los proyectistas tengan siempre en mente las ventajas operacionales que implica este tipo de obra, así como las relativas a los aspectos de ecología y ambiente.
Finalmente, para dar a ustedes una idea sobre los costos, mencionaré que un análisis de once túneles construidos en Inglaterra, a precios de 1970 en libras esterlinas y aplicando la paridad actual con nuestra moneda, arroja costos totales por metro lineal de túnel que varían de $700 000.00 a $1 200 000.00, correspondiendo al equipamiento del túnel, que incluye la planta de ventilación, edificios, instalaciones eléctricas, servicios y dispositivos auxiliares, inversiones del orden del 9 al12% de esas cifras. En aquellos casos en que los costos de excavación, recubrimiento y sello resultan rela-
Debe desecharse la idea del tabú y del misterio, así como el temor a emprender obras en las que la experiencia es casi nula. Existe una experiencia mexicana muy amplia en la construcción de túneles, pero no en el equipamiento de túneles carreteros, pensemos que la experiencia existente cubre, en términos gruesos, el85% del costó de la obra y para el15% restante, se cuenta con información y con el talento de nuestros ingenieros para resolver lo "no experimentado".
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO
L. Vieitez Utesa
1.
INTRODUCCION
de trabajo favorece el aprendizaje y promueve la eficiencia. Ello es válido, claro está, cuando el terreno excavado no ofrece grandes variaciones ni complicaciones y cuando la longitud del túnel es lo suficientemente grande para que se rebase el período de aprendizaje y se estable;zca un nivel de producción, de alto rendimiento, durante un lapso tal que compense los bajos avances propios de dicho período que coincide en general con las fases de comienzo y primeros progresos de la obra.
Deben entenderse las ventajas y desventajas como términos relativos. En este caso el análisis de unas y otras se realiza por comparación implícita o explícita con las que corresponden a la alternativa en superficie. Se han de manejar factores tangibles, cuantificables como son la inversión inicial, los costos de construcción, los de operación y los de mantenimiento, y factores intangibles como son el riesgo y la incertidumbre, los costos sociales, los costos de oportunidad y otros aspectos relacionados con características locales.
He aquí, pues, dos ventajas del túnel: Es una obra guarecida y es una obra cuya ejecución en gran medida puede y conviene "industrial izarse".
El presente artículo pretende comentar sobre algunos de estos factores, sin entrar en el detalle y sólo con el propósito de orientar las ideas que se tienen al respecto para buscar y despertar el interés por ahondar en este tema.
Dentro de este último término debe incluirse un grado relativamente alto de mecanización y un interés por reducir los tiempos muertos y las demoras.
Hay una serie de características propias del túnel que deben tenerse siempre presentes al considerar sus ventajas y desventajas.
2.
TUNELES VIARIOS O CARRETEROS
Para los diferentes tipos de túneles carreteros, se van a analizar sus posibles ventajas y desventajas, sin perder de vista las características antes comentadas,
Se trata de una obra lineal con un número de accesos limitado. Se trata de un espacio más bien reducido en el que transita y trabaja el personal y el equipo, apoyados por" recursos (aire, agua, energía, materiales) que se transportan a través del mismo túnel, a veces por grandes distancias, en tuberías, duetos, cables, y unidades diversas de acarreo.
.2.1
Túneles de puerto
Son los que se ubican a muy alta cota en carreteras de montana en las que con la pendiente gobernadora se han agotado las posibilidades de desarrollo exterior. Tienen la ventaja de ser túneles cortos, pero a costo muy probablemente de un desarrollo tortuoso y por consiguiente antieconómico de las vías. Son soluciones inadmisibles en carreteras de alta espe. cificación, con bajas pendientes y altos radios de curvatura.
Se trata de un lugar de trabajo encerrado en el que hay que ofrecer un mínimo de condicio'nes ambientales que garanticen la salud y la seguridad del personal que en él labora.
Por ser túneles de poca longitud, sé pueden atacar con equipo poco sofisticado. Por ejemplo, el mismo equipo de rezagar puede cargar, transportar y tirar a barrancas vecinas sin afectar seriamente el ciclo. La barrenación se haría con pistolas de pierna sobr~ tarangos o plataformas hechizas. La demanda de ventilación sería reducida. Los bajos rendimientos probablemente no pesarían en el programa general de la carretera. Ya en operación estos túneles no requieren en general ventilacióh y las necesidades de iluminación también son bajas.
No pueden utilizarse partes del túnel para los fines (vehiculares) propuestos hasta no haber concluido por completo la perforación y buena parte, sino la totalidad, del revestimiento definitivo. En cuanto a estas características que, comparadas con las de las obras a cielo abierto, cabría considerarlas desventajas, se puede anadir que en virtud de ellas el trabajo en túnel tiene ventajas sobre el trabajo exterior: Se trata de una obra guareCida de las inclemencias del tiempo, y por lo tanto, hábil, en todo momento y de tal manera dispuesta que obliga a guardar un orden y una sucesiÓn de actividades que, por repetitivas, se organizan en ciclos y "trenes" de trabajo con cierta semejanza a los de la industria de transformación. Esta forma seriada y cíclica
Como desventajas o inconvenientes pueden citarse, aparte del desarrollo para alcanzar sus bocas, que es reflejo también de su inaccesibilidad inicial, estas otras:
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crítica, como sucede cuando son de carácter especial y toman mayor tiempo en la ejecución que los tramos a cielo abierto, puede pesar en el costo además de los portales propiamente dichos, las obras de penetración y auxiliares necesarias para alcanzar y hacer accesibles dichos portales y las zonas aledanas de trabajo, con suficiente anticipación al resto de la carretera.
Al quedar localizado el túnel de puerto en la parte culminante de la montana, habrá de encontrar condiciones geológicas desfavorables, propias de las zonas de macizos rocosos próximos a la superficie: Efectos de intemperismo y alteración, diaclasas de tensión por liberación de esfuerzos, fenómenos de reptación de ladera, infiltraciones de agua, materiales de transición (saprolitos, regolitos). Estas o parecidas condiciones pueden encontrarse en los portales, de manera que requieran éstos de importantes trabajos de estabilización o afianzamiento, mismos que pesarán notablemente en la economía del conjunto. 2.2
Una ventaja adicional de los túneles de ladera se evidencia cuando las obras exteriores alternativas invaden propiedades cuya expropiación resulta cara o implica trámites engorrosos o costos sociales o políticos importantes.
Túneles de laderas 2.3
Tienen por finalidad mejorar el trazo de la carretera al permitir tramos más rectos y de pendiente más suave. Compiten con los cortes, tajos y tramos en balcón cuando éstos resultan de alturas superiores a los 20 m, o cuando la disposición geológica del terreno plantea problemas potenciales de inestabilidad durante las fases de construcción o de operación de la obra exterior que obligan a obras mayores de estabilización o afianzamiento.
Túneles de base
los túneles de base, llamados así para describir que su locali, zación es en la base de la montana, pueden en varios casos resultar más ventajosos que los de puerto o los de ladera a pesar de su mayor longitud. Estos -casos son: Cuando la geología en la base de la montana es considerablemente mejor que en las laderas o en la cumbre.
Para evitarlos problemas comunes en macizos rocosos próximos a la superficie, como los anotados en el inciso anterior, los túneles de ladera conviene alojarlos lo más hacia el interior de la montana que sea económicamente posible, según dicten las condiciones locales de sanidad y competencia de las rocas.
Cuando se acorta considerablemente el trazo y se mejora el perfil de manera que el tiempo y la economía de recorrido mejoran considerablemente la operación de toda la carretera. Cuando, a pesar de su longitud, introduce economía en la construcción total de la línea, al evitar obras de arte, viaductos, cortes y terraplenes en terreno difícil o accidentado, para dar especificaciones equivalentes de recorrido. ·
la solución de túneles de ladera es muy socorrida en carreteras de alta especificación en países montanosos (Austria, Suiza, Italia, Japón) en los que además interesa quedar en todo tiempo al abrigo de desprendimiento de rocas, de avalanchas o de tormentas de invierno.
la gran longitud de un túnel de base ahora si hace casi obligado el empleo de equipo especializado y la organización y operación de un tren de trabajo semindustriaL Si bien el costo de ejecución de accesos y portales pierde importancia en el costo total de la obra, su ubicación y su seguridad adquieren valor estratégico primordial porque de ellos y de sus instalaciones de apoyo aledanas depende una mayor y más importante longitud de obra. la ventilación, tanto durante la ejecución del túnel como durante su operación, pesa notablemente porque garantiza la continuidad de las mismas e incide en su eficiencia. Todas las estructuras auxiliares de ventilación para uno y otro propósito merecen la mayor atención. Bien localizadas e insertadas oportunamente en el programa conjunto pueden prestar no sólo el servicio para el que están destinadas sino otros complementarios. Piénsese, por ejemplo, en pozos de ventilación que puedan utiliarse durante la excavación como tiros de aire y como lumbreras de acceso intermedias.
Son túneles de cierta longitud pero en los que en muchos casos todavía puede pesar en la economía glo~al el costo de las obras en los portales. De ahi que en la medida que el trazo lo permite, la buena ubicación de éstos muchas veces resulta de primordial importancia.
A medida que la longitud es más importante más necesario es equipG sofisticado para cumplir con las condiciones de trabajo y con los programas de obra, equipo que será tanto más rentable cuanto pueda amortizarse en la obra, o en el conjunto de obras, por realizar. Cuando se tienen túneles de ladera contiguos o próximos hay oportunidad de obtener una mayor y mejor utilización del equipo. los túneles de ladera, por lo tanto, ofrecen ventajas geométricas que mejoran el trazo y perfil de la carretera; ventafas de seguridad al quedár al abrigo del exterior y evitar-costosas obras, en superficie, de retención y protección. Dichas ventajas serán aún más apreciadas si se consigue que el costo de los portales no incida notoriamente en la economía de la obra, y si las condiciones de vientos dominantes y gradientes de temperatura favorecen la ventilación natural.
la longitud de estos túneles obliga muchas veces, por razones de operación, a incluir en el proyecto, además de las estructuras de ventilación, otras obras auxiliares, como pueden ser túneles de servicio y bahías o remansos de seguridad; Tales estructuras pueden ser de mucha utilidad durante la construcción. Piénsese por ejemplo en el túnel de servicio como galería de reconocimiento adelantada al o los túneles principales que a la vez puede servir a la ventilación y drenaje, dar flexibilidad a las operaciones de construcción, como la rezaga, y permitir el acceso a las zonas difíciles que ameriten tra-
Es importante considerar en estas obras la incidencia que tienen en el programa general de la vía. Si caen en la ruta
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bajos de tratamiento especializado. Es conveniente advertir IÓ siguiente en cuanto a las galerías de reconocimiento: Por una parte habrá que buscar su oportunidad de ejecución dentro del programa general de obra y la justificación de su costo en el caso de que no estén asociadas a obras definitivas; por la otra, debe tenerse presente que su sección es notablemente menor que la de los túneles viarios, y que por consiguiente pueden iAfluir efectos de escala en la extrapolación de parámetros o de observaciones de las unas a los otros; además, experiencias adversas en la ejecución de .una galería de reconocimiento inducen a trasladar las soluciones dadas para salvarlas al túnel viario, cuando en éste pueden adoptarse soluciones más simples en los mismos tramós, habida cuenta de que se dispóne de información previa que. permite modificar los procedimientos y aplicar los cuidados necesarios con oportunidad.
Hasta aquí se ha hecho breve mención de algunos aspectos re.levantes de túneles carreteros· no urbanos, los cuales por lo general se excavan en roca. los suelos o material~s de transi-. ción, producto de alteración o intemperismo, se presentan más bien por excepción y casi siempre en los portales y en el entorno de fallas importantes. 2.4
Túneles urbanos
En túneles urbanos, por el contrario, el caso más frecuente es la excavación en suelos o en terrenos de transición. Su estudio puede hacerse exhaustivamente si se considera su poca profundidady su relativa accesibilidad. El túnel vial urbanotitme ventajas cuando desahoga la congestión de tráfico y cuando evita la interferencia total o parcial de la propiedad urbana, de las instalaciones municipales y de la actividad citadina. Dados los volúmenes detránsito que estos túneles deben mover, son necesariamentede gran sección, superior incluso a la del túnel de base, necesitan importantes instalaciones de ventilación y han de proporcionar una seguridad al usuario y al área vecina muy superior a la de un túnel vehicular no urbano. Excavados en roca sana, con suficiente techo, pueden ejecutarse en una sola sección; en suelos. y terrenos de transición, donde además de la estabilidad propia de la excavación hay que cuidar el evitar asentamientos en superficie, debe considerarse siempre la posibilidad de conducir el tránsito, en un sentido y en el otro, en túneles separados.
De lo antes expuesto se deduce que una de las desventajas o inconvenientes principales del túnel de base es la proporción de incertidumbre y riesgo que lleva implícita. Estas están en relación con la cobertura; con el número, espaciamiento y eventual profundidad de los accesos y con la complejidad y grado de precisión posible de la caracterización geológica y geotécnica. En ésta adquieren importancia mayor la definición de la naturaleza y estructura del terreno, la geometría y características de las discontinuidades y el conocimiento lo más aproximado posible de las condiciones del agua freática. Esta desventaja se obvia en gran medida con la galería de reconocimiento y demás obras que permitan alcanzar la profundidad del túnel con suficiente anticipación al ppso del mismo y en dimensiones que permitan hacer observaciones y pruebas en magnitudes capaces de ser extrapoladas a la obra definitiva. En este sentido amerita también analizar con todo cuidado las ventajas y d~sventajas globales que pueda tener el resolver la obra de base en dos túneles o en uno solo.
Un aspecto a ponderarse con la mayor atención es el de las rampas de acceso, cuya ubicación y características no deben provocar más que en mínima medida los problemas que el túnel pretende resolver. los procedimientos de ataque y soporte en estos casos difieren notablemente de los de los túneles no urbanos. Pero el valor de las inversiones iniciales, en muchos casos aparentemente elevadas, se compensan largamente en la operación, al preservar e incluso incrementar el valor de una propiedad urbana de por si apreciada.
En todo caso, los estudios previos de un túnel de base deberán encaminarse a precisar lo mejor posible las condiciones medias más frecuentes, que son las que normarán los procedimientos constructivos, y las condiciones extremas desfavorables que son las que en un momento dado puedan definir el programa por necesitar cambios radicalt;!s en los procedimientos, tratamientos especiales o grandes demoras.
2.5 .Túneles subacuáticos El túnel subacuático es la solución alternativa al puente. Su justificación comienza a ser evidente cuando el puente ha de dejar una alturalibre al nivel del agua de más de 30 a 50 m, que obliga a un largo desarrollo de accesos: Razón de más si estos mismos penetran en terrenos blandos de poca capacidad de soporte, o en propiedad urbana de elevado valor o en zona urbana donde se altere su aspecto y su ambiente.
los estudios previos, como es evidente en el caso de obras subterráneas de esta naturaleza, deberán complementarse con estudios durante la etapa de construcción, así como observaciones o mediciones del comportamiento que verifiquen o lleven a rectificar o ajustar las hipótesis de base del modelo de partida.
Siendo asimismo túneles de gran sección deben encontrar buenas condiciones de impermeabilidad y soporte del terreno en el que se alojan bajo el agua, y a relativa poca profundidad para evitar el desarrollo de largos accesos. De otra forma deberá considerarse la alternativa de túneles formados por cajones prefabricados sumergidos, que no interfieran con el calado necesario.
Cabe mencionar que al ser obligada la ventilación artificial en el túnel de base, su sección transversal es considerablemente mayor que la de un túnel de igual capacidad vehicular que disponga de ventilación natural suficiente. Para éste. pueden bastar 50 m2 mientras que para aquél se necesitarán alrededor de 90 m2. la galería o túnel de servicio tendrá una sección vecina a los 20m2. Para cada sección habrá una determinada planta de equipo que dará el mayor rendimiento. Estas diferencias necesarias del equipo deberán tenerse muy en cuenta al pretender extrapolar experiencias de una a otra sección.
En los túneles subacuáticos se complica notablemente la exploración previa. los accesos también pueden interferir con propiedad urbana valiosa aunque su trazo tiene más tolerancias de curvatura y pendie¡;1te que en el caso del puente.
13
go. Pueden manejarse incluso conceptos, como costos de oportunidad, que valoran las consecuencias de no optar por determinada alternativa o de diferirla en el tiempo.
Las instalaciones de ventilación, salvo excepciones, deben situarse en los extremos en tierra, lo que implica estructuras de considerable porte para alojar todos los equipos.
3.
Pero hay otro factor que interviene muchas veces con gran peso, ·este es el costo social. las ventajas o desventajas que aguí s~ han comentado y otras más q1.1e p.ueden surgir en ca- . sos ya específicos pueden tener un valor muy diferente, más allá del estrictamente técnico, cuando se consideran én el marco de efectos sociales. Así por ejemplo, la expropiación de terrenos ejidales, puede inclinar a decidir construir el tramo en túnel, aún cuando los. riesgos Inherentes hayan dado preferencia técnic'a a la solución superficial.
EVALUACION
A final de cuentas-la consideración de las drferentes aTterna~ tivas viales tiene que sujetarse a una cierta ponderación, a una evaluación que lleve a decidir por una u otra. Hay fórmulas que incluyen la inversión inicial, los desarrollos verticales y horizontales equivalentes, los costos de construcción y los costos de operación y mantenimiento. En los costos de operación interviene principalmente el consumo de energía y el de tiempo. Intervienen también parámetros financieros que estiman la recuperación de la inversión y la cobertura de los costos de operación y mantenimiento.
'una carretera de ladera, panorámica, puede tener efectos turísticos que la hagan finalmente preferible al túnel, aún cuando sus costos de mantenimiento hagan que el costo global de ella sea superior al de éste.
Tales fórmulas ayudan a ponderar los factores en cierto modo medibles, pero hay otros, como al principio se dijo, que inciden también en la calificación de la utilidad de la obra. Algo pueden ayudar la teoría de la confiabilidad y la de toma de decisiones bajo condiciones de incertidumbre y ries-
La obligación principal del ingeniero proyectista es perfec. cionar los m~todos de evaluación de los pros y contras estrictamente técnicos. Reuniones como la presente deben coadyuvar a ello.
14
METODOS PARA EL DISEI\JO DE TUNELES
J.
1.
OROZCO Y OROZCO
INTRODUCCION
El problema que se afronta con este método es la contratación de la obra, pues el proyecto varía a lo largo del período de construcción.
El diseno de túneles puede efectuarse de acuerdo con cualquiera de los tres enfoques siguientes:
1.3 El enfoque empírico se basa en la experiencia adquirida en obras similares. Para un manejo más eficiente se requiere de un sistema de clasificación, en base al cual SEtpodrá extrapolar la experiencia y aplicarla mediante un jÚicio sano al nuevo caso.
Analítico. Observacional. Empírico.
De esta manera, los sistemas de clasificación de macizos rocosos constituyen la espina dorsal del enfoque empírico y han sido ampliamente usados en todo el mundo. El sistema de clasificación de rocas más usado hoy en día, a pesar de que cuenta con más de 30 anos de.haber sido propuesto, es el de Terzaghi.
1.1 E1enfoque analítico es el menos usado, no por las técnicas analíticas mismas, de las cuales destacan: Método del elemento finito. Soluciones matemáticas cerradas. Fotoelasticidad y otras técniéas de simulación. Sino por la dificultad, siempre presente, para alimentarlas con parámetros que realmente representen las condiciones del macizo.
2.
SISTEMAS DE CLASIFICACION EN LA INGENIERIA DE ROCAS
2.1
Aspectos generales
En el estado actual de conocimientos, la tecnología de túneles puede resumirse en las palabras siguientes:
Estas técnicas analíticas son muy útiles para determinar la influencia relativa de los diversos parámetros que intervienen y para comparar las distintas soluciones posibles.
"La predicción del sistema de soporte requerido para túneles·, se ha basado por muchos anos en la observación, la experiencia y el juicio personal de aquéllos involucra-' dos en la construcción de túneles. A pesar de la aún poco probable introducción de técniéas geomecánicas para la exploración de sitios, la predicción de los requerimientos de soporte en el futuro requerirá del mismo enfoque" (Wickham, Tiedemann y Skinner.)
Son, sin duda, los métodos del futuro, a pesar de que hoy día aún no son aceptables como medios de diseno en la ingeniería práctica.
1.2 El enfoque observacional, cuyo exponente más destacado es el nuevo Método Austriaco de Tuneleo, se basa en la medición del comportamiento d_el túnel según se construye, para modificar el sistema de soporte según se requiera:
Por lo tanto, un sistema de clasificación de macizos rocosos,· que permita combinar los hechos observados, la experiencia y el criterio ingenieril, para proveer una valoración cuantitativa de las condiciones de la roca, se constituirá en la espina dorsal para la predicción del sistema de soporte.
Este enfoque se basa en la premisa siguiente: "Un sistema de soporte flexible para un túnel, siempre es preferible a un soporte rígido."
2.1.1 En la práctica, lo anterior se logra mediante la colocación de anclas y concreto lanzado, para evitar un aflojamiento excesivo, a la vez que se permite la suficiente deformación como para que se desarrolle el efecto de arqueo y autosustentación de la roca, mediante la redistribución de esfuerzos.
Propósitos de un sistema de clasificación de rocas Dividir el macizo rocoso en grupos de comportamiento similar. Proporcionar las bases para la comprensión de las características de cada grupo.
15
-
Wickham, et. al. fué primero en proporcionar un método de calificación para dar peso relativo a los diversos parámetros de clasificación.
Facilitar la planeación y el diseno de las excavaciones en roca, suministrando la información cuantitativa que se requiere para la solución de los problemas ingenieriles. ·
la Clasificación Geomecánica, propuesta por Bieniawski y el Sistema Q, propuesto por Barton, Líen y Lunde, proporcionan información cuantitativa para seleccionar sistemas de soporte modernos, tales' como concreto lanzado y anclas.
Establecer -una base común para la comunicación efec- . tiva entre todas las personas involuéradas en el proyecto y construcción de un túnel.
2.1.2
El sistema Q fue desarrollado para túneles, al igual que la Clasificación Geomecánica, aunque esta última ha sido aplicada a taludes de roca y cimentaciones, a la determinación de la "arabilidad" de los terrenos y a problemas de minas.
Atributos de un sistema de clasificación de rocas
Los propósitos atrás descritos podrán alcanzarse si el sistema de clasificación posée los siguientes atributos. Simple, fácil de recordar y entender. Claro en cada uno de sus términos, terminología ampliamente aceptada.
2.1.4 con
una
los sistemas de clasificación descritos dan lineamientos para la selección del soporte primario (o soporte temporal). Este siempre se coloca muy próximo al frente de avance y generalmente lo componen anclas, concreto lanzado y marcos de
Que incluya únicamente las propiedades de los macizos rocosos más significativas.
ac~ro.
Basado en parámetros medibles, que puedan ser determinados mediante pruebas apropiadas, rápida y económicamente en el campo.
la función del soporte primario es mantener abierta la excavación hasta que pueda colocarse el soporte difinitivo, generalmente integrado por un recubrimiento grueso de concreto hidráulico.
Basado en un sistema de calificación que pueda-pesar la importancia relativa de los parámetros. de clasificación. Que sea funcional mediante el suministro de información cuantitativa para el diseno del soporte del túnel.
Debe recordarse que probablemente el soporte prim·ario sea capaz de resistir todas las acciones actuantes en el túnel y, puesto que los materiales con los que actualmente se construye no se deterioran, para túneles carreteros y ferroviarios un revestimiento de concreto puede no servir más que como cosmético, para satisfacer la necesidad sicológica de seguridad de los usuarios.
Que sea lo suficientemente general como para que un macizo rocoso posea la misma clasificación, independientemente de que vaya a ser usada para un túnel, un talud o una cimentación. 2.1.3
Campo de aplicación de los sistemas de clasificación
Sistemas de clasificación de rocas más conocidos Terzaghi.
(1946)
Lauffer.
(1958)
Deere.
(1964)
2.2
En la Fig. 1 se presentan esquemáticamente los datos de entrada y la informaciól) para diseno obtenible de este método.
Wickham, Tiedemann y Skinner. Bieniawski.
(1972) En la Tabla 1 se presenta una traducción libre del "Sistema de Clasificación de Cargas de Roca para Túneles Soportados por Marcos de Acero" originalmente propuesta por Terzaghi.
(1973)
Barton, Líen y lunde.
Método de la carga de roca de Terzaghi (Terzaghi, 1946)
(1974)
En la Tabla 11 se presenta el sistema de Terzaghi, pero ligeramente modificado y en él se han introducido sendas escalas para el espaciamiento entre fracturas y el RQD, que complementan la descripción cualitativa original.
El sistema de "Carga de Roca", propuesto por Terzaghi ha probado ser muy útil en la construcción de túneles con marcos de acero.
\
El mérito de Terzaghi estriba en haber propuesto, hace más de 30 anos, un método de estimación de cargas en túneles soportados por marcos de acero; el método más usado durante los últimos 50 anos; sin embargo, este método ya no es tan ~ adecuado para sistemas modernos de soporte, como anclas y concreto lanzado.
El sistema de clasificación de Lauffer representó un gran adelanto en el arte del tuneleo, al introducir el concepto de "tiempo de sustentación" para el claro activo en un túnel, concepto fundamental para determinar el tipo y densidad del soporte requerido.
También, se considera actualmente que el método de Terzaghi es demasiado general como para permitir una evaluación objetiva de la calidad de la roca y que no provée información cuantitativa acerca de las propiedades de las masas rocosas.~
Deere introdujo el concepto "lndice de Calidad de la Roca" (R Q D) que es un método simple y práctico para describir la calidad de los corazones de roca obtenidos de perforaciones.
16
Tabla l.
Clasificación por carga de roca para túneles soportados con marcos de acero según Tarzaghi. (Carga de roca Hp en pies (espesor) de roca sobre el techo del soporte en un túnel de ancho B en m (pies) y altura 1:1 1 en m (pies) a una profundidad de más de 1.5 (B + H1), •
Carga de Roca
Condición de la Roca
Comentarios
HP 1. Dura e intacta
Cero
Se requerirá revestimiento ligero sólo si hay desgajamiento ó desorendimiento de material.
2. Fuertemente estratif.icada ó esquistosa**
Oa0.5 8
3. Masiva, ligeramente fracturada.
O a 0.258
Soporte ligero, principalmente para protección contra caídas. La carga puede cambiar erráticamente de un punto a otro.
4. Ligeramente fracturada formando algunos bloques. 5. Muy fracturada formando muchos bloques. 6. Comptetamente fracturada pero químicamente intacta.
0.258 a 035(8
+
H1)
No hay presión lateral.
(0.35 a 1.10X8
+
H1)
Pequena o nula prtsión lateral.
1.10 (8
+
'
H1)
Presión lateral considerable. Si hay efectos de ablandamiento, debidos a infiltraciones c~rcanas a la parte inferior del túnel. se requer.irán soportes continuos para las partes inferiores de los marcos, o bien marcos circulares.
'
7. Se extruye bajo carga a poca profundidad.
(1.10 a 2.10)(8
+
H1)
Presión lateral muy alta, se requieren puntales inverti-
8. Se extruye bajo carga· a gtan
(2.10 a 4.50)(8
+
H1)
dos. Se recomiendan marcos circulares.
profundidad.
Hasta 76.20m (250 pies), · sin importar el valor de(8 + H1)
9. Roca ·expansiva.
Se requerirán marcos circulares. En casos extremos se usarán soportes flexibles (yielding support).
-Se. supone que el techo del túnel está localizado por debajo del nivel freático. Si está localizado permanentemente ,por arriba. del nivel freático. Los valores dados para los incisos 4 a 6 se podrán reducir en un cincuenta por ciento. Algunas de las formaciones rocosa; más comunes contienen capas de esquistos. En un estado no intemperizado, los esquistos no son peores que __ otras rocas estratificadas. Sin embargo, el término esquisto sé aplica frecuentemente a sedimentos de arcilla fuertemente compactados que aún no adquieren las propiedades de la roca. Dicho esquisto se.comportará en un túnel, como una roca que se extruye bajo carga o hasta como una roca expansiva. Si una formación rocosa esta formada por una secuencia de estratos horizontales de areniscas o calizas y de forMaciones esquistosas, que no alcanzan aún el grado de roca, la excavación del túnef está comúnmente asociada con una compresión gradual de la roca en ambos lados del túnel, involu erando esto un movimiento descendente. del techo. Además, la relativa baja resistencia contra el derrumbe a los lados del.túnel, entre ~os ya menciona i dos esquistos y hí roca, es probable que reduzcan muy considerablemente la capacidad de la roca localizada por encima del techo que sirve de puente. Por lo tanto, en dichas formaci el e o uede ser tan ande o ura a en bloques.
METODO DETERZAGHI
DATOS DE ENTRADA
~~~ ~ION
;
DISCONTINUIDAIES. GRADO DE ' ALTERACION NIVEL FREATICO.
INFORMACION DE SALIDA
CLASIFICAOON DE CARGAS DE ROCA . . CARGA DE ROCA PARA TUNELES COMENTARIOS SOBRE Tlftl · DE· ADEME · . SOPORTADOS CON RECOMENDABLE. MARCOS DE ACERO. COMENTARIOS SOBRE TERZAGHI.
G
ANCHO B ALTURA H,
=
194&
TABLA t
• Triturada; pero qu~ mlcamente Intacta' --2I.ICB+Htl ejemplo: • 'r= 2.34tontm2 • NAF bajo rasante·
'
1
LA CARGA DE ROCA LATERAL ..
• carga de roc:a-27.94 • ton/m'! Presklnlateralmuy lmportanJe.
• B =10m H1 =10m
Fjg. 1
Esquema del método de carga de roca de Terzaghi
17
Tabla 11.
Cargas de roca y clasificación
~ ~
o "' ..2.Ó e: ... QJ
a
·- u E n:s
-~..::
u n:J "' n:J
~
::J
Q.
Q
-~
0:::
o.- 2' QJ ~ -o
·o
o
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0.25 B
0.5 B 0.25 B a
o
.
o.Js e
o a o.6 e
o.s4
7. Grava y arena
a
~
e
1.2 e 0.94(
a 1.2C
>tl.l .... e: QJ e: ... QJ
QJ
...~
u
e
o.62 e a 1.38 e 1.os e 1.38 e 1.1 e a 2.1 e 2.1C a
8. Se extruye bajo carga Poca profundidad QJ ....
o.3s e a 1.1C 1.1
2. 1"
e:
... Qj
n:J
._
n:J . ~ 00
QJ
-
2"
O...J
q¡iO:o-= ....... ·e: E e:
o
-
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u o.
~ ~
....
n:J
o
:-
3.. Masiva, moderadamente agrietada 4 Moder~damente fracturada formando algunos bloques. 75 5. Muy fracturada y muy 50 agrietada formando muchos bloques 25 tritu10 6. Completamente rada
6"
.&
·xQJU•I"OO ~ -z .o
90
-
Observaciones
V)
-
2ó
-
o
1. Dura e intacta
95 2. Dura, estratificada ó esquistosa
f.-
2
Final
~
5
5
t\
Inicial
O'
Q. ......
"' Li.l
1o
Carga de roca
~
.... n:J
9. Se extruye bajo carga. Gran profundidad
4
tl.l1;ín:s:::l u QJ
E-¡¡; e:
._ •O QJ QJ ·- "'O
"'O
Revestimiento solo si hay caídas o proyección de material Se presentan caídas Presión lateral si hay estratos inclinados, algunos caídos
tl.l
.... tl.I~::JQJ c:<~>q¡C:
l.:l o. o. E
Pequeña o nula Presión lateral Presión lateral considerable. Si hay infiltraciones usar soporte continuo Densa Presión lateral Ph 0.3c5(0.5 H 1 + HP) Suelto
=
Presión lateral muy alta. Se requerirá soporte continuo
o;('
:E-g o u ~
hasta 250 pies
10. Expansiva
Notas:
Usar soporte circular. En casos extremos usar soportes flexibles
Para rocas, clases 4, 5, 6 y 7, cuando se encuentran arriba del nivel freático, reducir cargas en un 50% 2. Para arenas (7) H~ m in, para pequenos movimientos ( -0.01 e a 0.02 e) Hp máx para grandes movi· mientas a lo ancno ( -0.15 e). 3. B es el ancho del túnel, e B + H1 ancho + altura del túnel (en pies) Para túneles circulares, e 2B 2H1 4. t. = densidad del medio, lbs/ft3
1.
= =
=
=
18
· 2.3
Clasificación de Lauffer (Lauffer, 1958)
Orientación del eje del túnel respecto a la estratificación o a la dirección de la familia principal de discontinuidades.
La clasificación propuesta por Lauffer en 1958 está basada en un trabajo de Stini referente a la geología de túneles (Stini, 1950). A Stini se le reconoce como el padre de la "Escuela Austriaca" de Tuneleo y Mecánica de Rocas.
Geometría de la Sección Transversal. Método de Excavación.
Stíní enfatizó la importancia de las discontinuidades en los macizos rocosos y propuso que el tiempo de sustentación para cualquier claro libre activo, en relación de las diversas categorías de los macizos de roca, es el mostrado en la Fig. 2.
Método de Soporte. Este sistema de clasificación ya no se utiliza, pues ha sido modificado por varios ingenieros austriacos, como Rabcewiez, Gosler y Pacher (Pacher; Rabcewicz y Gosler, 1974).
El claro libre activo es el ancho del túnel o la distancia entre el frente y el ademe, si éste es menor.
2.4
El tiempo de sustentación es el lapso durante el cual un túnel se sostendrá sin ademe a partir del momento de la excavación.
lndice de calidad de la roca (RQD) de Deere
Una de las desventajas serias de los dos métodos mencionados anteriormente es la dificultad para clasificar un cierto macizo rocoso, así como la sensibilidad de los resultados obtenidos, respecto a dicha-<:lasificación.
Varios factores afectan al tiempo de sustentación, siendo los principales:
CLA S1F1eAe1ON
DE
L AU F FE R . CLASIFICACION DEL MACIZO A.MUY BUENA 8.
c.
D. E. F.
G. MUY MALA
lmln
10 mln
111
TIEMPO
1dia
Dé
lsem lmes
fallo
lO años
100 allos
SUSTENTACION.
EJEMPLO.
En un mismo macizo rocoso, sea de clase D, mientras que un túnel piloto de 2m se soporta sin ademe entre media hora y un dia, un túnel de 10m sólo se soporta entre 3 minutos y 2 horas, aproximadamente. · · · ·· · Si se requieren 3 h para colocar el ademe primario, el avance deberá limitarse entre 80 cm y 8 m la selección del macizo rocoso es critica.
Fig. 2
Tiempo de sustentación de acuerdo a la categoría del macizo rocoso.
19
MUY MALA . 3.0
MALA
REGULA~
ra el macizo y al tipo de soporte usado satisfactoriamente. las dos lineas presentes en la figura pretenden agrupar los tres tipos de soporte. Arriba de la línea curva no se requiere soporte, entre la línea curva y la recta se requieren anclas colocadas en forma sistemática y abajo de la línea recta se requieren marcos. la información presentada en la parte inferior de la misma figura permite afinar aún más la predicción del tipo de anclaje requerido, aunque la información experimental sólo cubre el rango de los 15 a 25 pies para el ancho de la excavación.
BUENA EXELENTE
~
I:D
...... o fj
J! 2.5 11
e
~
oQ:
2.0
\.
'
!\.MARCOS DE ACERO
\
w o 1.5
(!)
Q:
u 1.0
w o
Q:
~ 05 ~-
o o Fig. 3.
25
las limitaciones del RQD más importantes son:
\\
No considera los rellenos delgados de arcilla en las discontinuidades. No toma en cuenta la orientación de las discontinuidades respecto al túnel.
\
ANCLASl 0.25 0.10 1 1 75 50 RQD (%)
\ 1 100
Comparación de di senos dé soportes de techo, para túneles con marcos y para cavernas con anclas.
En 1964, Deere propuso un índice cuantitativo, basado en la longitud de los fragmentos de corazón de roca extraídos mediante broca de diamante, en el que únicamente se suman las piezas mayores de 10 cm y se divide esta suma entre la longitud perforada. Posteriormente, laiSRM propuso que se utilizara por lo menos un diámetro NX. (5.48 cm) y barril doble giratorio en la perforación.
A
~~~~~20~~3~0~94~0~~5~0~~6~0 6
ANCHO
12
15
18 m
DEL TUNEL (Merritt) o ANCLAJE
la relación entre RQD y la calidad ingenieril del macizo rocoso propuesta por Deere fue:
RQD(%) <25 25-50 50.75 75-90 90.100
9
ft
• SIN SOPORTE 0 ANCLAS OCASIONALES
SISTEMATICO 4 MARCOS DE ACERO
Calidad de la roca Muy mala Mala Regular Buena Muy buena
Cording, Hendron y Deere (Cording, Hendron y Deere, 1972) intentaron correlacionar el RQD con el factor de carga de roca de Terzaghi. Esta correlación fue satisfactoria para túneles soportados por marcos, de acero o madera, pero no para excavaciones con anclas, según puede verse en la Fig. 3, lo que confirma ql.!e el método de Terzaghi sólo debe emplearse en túneles con marcos. Fig. 4
La Fig. 4, está formada con la información procedentft de varios túneles, en lo que se refiere a su ancho, al valor RQD pa-
20
Correlación entre el RQD y el soporte colocado en diversos sitios
No toma en cuenta la abertura de las discontinuidades.
1.2
Dureza de la roca
No considera la geometría y rugosidad de las discontinuidades. ·
Dura. Mediana.
Por lo anterior, no se considera que el RQD sea suficiente por sí mismo para describir un macizo rocoso.
Blanda. Alterada.
Calificación de la estructura rocosa (RSR Rock Structure Rating)
2.5
1.3
Estructura geológica Masiva.
Generalidades
2.5.1
Ligeramente fallada o plegada.
Fué desarrollada por Wickham, Tiedemann y Skinner.
Moderadamente fallada o plegada.
-----
Intensamente fallada o plegada.
Es un método cuantitativo para calificªr un macizo rocoso y para seleccionar el sistema de soporte.
2.5.2
Método cuantitativo y no cualitativo, como el de Terzaghi.
Efecto del patrón de discontinuidades con respecto a la dirección de excavación del túnel, basado en:
Sistema de calificación de macizos, basado en varios parámetros, no en uno sólo, como el del RQD.
11.1
Espaciamiento de discontinuidades.
11.2
Orientación de discontinuidades (Rumbo y echado)
11.3
Sentido de excavación del túnel.
111.
Parámetro C
Sistema completo con información de entrada y de salida, no del tipo del sistema de Lauffer, que se apoya en la exper.iencia personal para seleccionar el tipo de roca y únicamente define el claro libre activo y el tiempo de sustentación. 2.5.3
Parámetro B
11.
Avances que introdujo
Efecto del flujo de agua hacia el túnel, basado en:
Características del sistema
111.1
Calidad global del macizo rocoso, expresada por la combinación de los parámetros A y B.
li1.2
Características de las discontinuidades.
Considera dos grandes grupos d~ factores relevantes:
a.
Factores geológicos Tipo de roca.
Buenas.
Patrón de discontinuidades.
Regulares.
Orientación de discontinuidades.
Malas.
Tipo de discontinuidades.
111.3
Fallas mayores, planos de cortante y pliegues.
Gasto de infiltración esperado. En galones, por minuto, por pie de túnel.
Propiedades de la roca intacta . 2.5.4
lntemperismo o alteración.
Valor RSR
Este se obtiene para cualquier sección de túnel, como la suma de los valores numéricos de Jos parámetros A, B y C.
b. Factores constructivos Tamano del túnel.
RSR
Dirección de excavación
El RSR representa la calidad del macizo rocoso en relación a sus requerimientos de soporte, independientemente del tamano del túnel.
Método de excavación. Todos estos factores se agrupan en tres parámetros.
l.
Las Tablas 111, IV y V permiten definir los valores individuales de los parámetros A, B y C.
Parámetro A
Apreciación general de la estructura del macizo; se basa en:
1.1
= A+B+C
Relación de soporte (RR, Rib Rating)
Tipo de roca según su origen.
2.5.5
lgnea.
Para poder correlacionar los valores de RSR con los sistemas de soporte instalados, para posteriormente poder, en base a aquél, predecir éste, se introdujo el concepto de Relación de Soporte (RR).
Metamórfica. Sedimentaria.
21
Tabla 111.
Clasificación estructural de la roca- Parámetro A
Clasificación estructural de la roca - Parámetro "A" Geología generar del área Máximo valor 30 Tipo básico de roca lgneas Metamórficas Sedimentarias Tipo Tipo Tipo Tipo
Dura 1 1 2
Med. 2 2 3
Suave 3 3 4
Estructura geológica
Alterada 4 4 4
1 2 3 4
Masiva
Ligeramente fallada o plegada
Moderadamente fallada o plegada
1ntensamente fallada o plegada
30 27 24 19
22 20 18 15
15 13 12 10
9 8 7 6
Puesto que la información disponible se refería en un 90% a túneles soportados por marcos de acero, se seleccionó el RR como el porcentaje del soporte teórico (tamano de marcos y su espaciamiento) que se requeriría para un túnel geométricamente igual, pero excavado en arena suelta.
Al analizar 190 secciones de túneles con el criterio anterior se encontraron las siguientes expresiones empíricas. (RR + 80) (RR + 70)
Se desarrolló a partir de la fórmula de Terzaghi para determinar la carga en el techo de un túnel en arena suelta bajo el nivel freático. Esta fue la condición base, por lo que cualquier otro Sistema de Soporte se expresaría como el porcentaje de éste, requerido para otras condiciones de roca en un túnel del mismo ancho B y la misma altura Ht.
(1974) (1972)
También se concluyó que para RSR<19 se requería un sistema de soporte muy pesado, mientras que, para RSR>80 no 5e requería soporte. 2.5.6
Correlación entre RR y carga de roca
Esta correlación se muestra en la Tabla VI y es directa, puesto que un cierto RR está destinado a soportar una cierta carga de roca para un cierto ancho de túnel.
El valor de RR para un túnel sin soporte será naturalmente cero.
Tabla IV.
=
(RSR + 30) 8 800 (RSR + 8) = 6 000
Clasificación estructural de la roca- Parámetro B
Clasificación estructural de la roca - Parámetro "B" Patrón de fracturamiento Dirección de la excavación
Máximo valor 45 Rumbo ..L al eje Dirección de Avance Favorable al echado
Ambos
Rumbo ..L ..L al eje Dirección de Avance Ambos
Desfavorable al echado
Echado de fracturas principales'
Echado de fracturas principales'
Piano
lnclinado
Vertical
lnclinado
Vertical
Plano
Inclinado
9
11
13
10
12
9
9
2 Fracturas cerradas
13
16
19
15
17
14
14
11
3 Fracturamiento moderado
23
24
28
19
22
23
23
19
4 Moderado a fracturada en bloques
30
32
36
25
28
30
28
24
5 Fracturada en bloques masivo
36
38
40
33
35
3
34
28
6Masivo
40
43
45
37
40
40
38
34
1 Fracturas muy cerradas
' Echado: Plano- O a 20 grados; inclinado- 20 a 50 grados; y vertical - 50 a 90 grados.
22
Vertical 7
Tabla V. Clasificación estructural de la roca-Parámetro C Clasificación estfuctural de la roca Parámetro C Nivel freático Condiciones de las fracturas
25
Max. Valor Flujo
· Suma de parámetros A
+
B
13-44
anticipado de agua (gpm/1000')
45-75 Condiciones de las fracturas*
Nulo
Bueno 22
Regular 18
19
15
15 10
Ligero (< 200 gpm) Moderado (200-1000 gpm)
Bueno 25
Regular· 22
Pobre 18
9
23
19
14
11
7
21
16
12
8
6
18
14
10
Pobre 12
Grande (> 1000 gpm)
• Condiciones de las fracturas: Bueno: compacto o cementado; Regular terado; Pobre = severamente intemperizado, alterado o suelto.
Tabla VI.
Correlación entre la clasificación estructural de la roca y la carga de roca, Y el diámetro del túnel
(Wr) Carga de Roca en la bóveda del túnel (k/sq ft)
Diámetro del túnel
= ligeramente intemperizado o al-
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
Valores correspondientes de la clasificación estructural de la roca (RSR)
(0)
10' 12' 14' 16' 18' 20' 22' 24' 26'
62.5 65.0
28'. 30'
73.0 73.4
66.9 68.3 69.5 70.4 71.3 72.0 72.6
49.9 53.7 56.6 59.0 61.0 62.5
40.2 44.7 48.3 51.2 53.7 55.7
63.9 65.0 66:1
57.5 59.0 60.3
66.9 67.7
61.5 62.4
32.7 37.5
21.6 26.6 41.4 30.8 44.7 34.4 47.6. 37.6 49.9 40.2 51.9 42.7 53.7 44.7 55.3 46.7 56.6 48.3 57.8 49.8
13.8 18.7
22:9 26.6 29.9 32.7 35.3 37.5 39.6 41.4 43.1
23
16.8 20.4 23.8 26.6 29.3 31.5 33.8 35.7 37.4
. 15.5 18.8 21.6 . 24.3 26.6 28.8
17.4 20.1 n,3 24.6
16.4 18.7 20.9
17.7
30.8 32.6
26.6 Í8.4
22.9 24.7
19.7 21.5
16.8 18.6
2.5.7
Campo de aplicación del RSR
~
Primeramente fue desarrollado para túneles soportados con marcos de acero, lo que define su campo de aplicación natural.
S :5
de
. .
1
~
AA~~~---
0.5 1.0
S• N
1-
60 1.5
l!t
los requeriAdicionalmente, se hizo una estimación mientos de anclas y concreto lanzado, bajo suposiciones que limitan fuertemente el grado de confianza en su aplicación. Para anclas de 2.5 cm (1 ") y una carga de trabajo de 24 000 lb, se obtuvo la siguiente expresión:
Separación (ft)
10
~ :..:
:5 u
20
=~ w
--
1
16H20_RI.!
---
lewf"&~
-'1 l!ls
ewf!'-
1
3.0
3 ¡:¡;
-1
1
40
30
en
;
2.0
50
. . . . . . ....
4.0
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/
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1
'
i.s ~
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-
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(REL.DELOSMARCOS=IOO)..j
:~"'i lil"" ..,j....l
10
o
3
2
donde:
4
5
6
1
8
SEPARACION DE LOS MARCOS, EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS, POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO, EN PULG.
W == Carga de roca, en miles de lb/pie2 (pst) Fig. 6
No se encontró ninguna correlaCión entre las condiciones geológicas y el espesor de concreto lanzado, por lo que simplemente se sugirió la siguiente expresión:
El. concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de · ·
20 pies de diámetro. 2.5.8
Modo de operación del sistema
En las Figs. 5, 6 y 7, se presentan gráficas para diseno de túneles de 20 pies. Cartas similares pueden dibujarse o existen para otros diámetros.
t=1+~ó 1.25
Los pasos a seguir son: a.
donde: t W D
= espesor del concreto lanzado
= carga de roca, en 1 000 lb/pie2 = Diámetro del túnel, en pies
Se divide el túnel en tramos geológicamente similares.
b.
De las tablas 11 a IV se determinan los valores de los parámetros A, B y C y se obtiene ~SR.
c.
Se determina el tipo y densidad de soporte en una gráfica similar a las mostradas en las Figs. 5, 6 y 7. ANCLAS DE 1" 0.
C
/LANZADO 10
ª
is..,o
0.5
60
S e
...J
50
~
0.5
70
J. O
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•
10
7
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\ ANCLAS
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NIVB. DE CXItiPAIIACia.
1
1
~0-----L~--·2----~.----~4----~----.~--~7--~8
SEPARACION DE LOS MARCOS.· EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS. POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO. EN PULG.
SEPARACION DE LOS MARCOS, EN PIES SEPARACION DE LAS ANCLAS, POR PIE CUADRADO ESPESOR DEL CONCRETO LANZADO, EN PULG.
.
Fig. 5
El concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de 10 pies de diámetro.
Fig. 7
24
El concepto RSR: gráfica de soporte para un túnel de 24 pies de diámetro.
1
'-
Tabla VIl.
Clasificación geoniecánica de macizos rocosos agrietados A-Parámetros de clasificación y su importancia
Parámetro 1. Resistencia del material rocoso intacto
Rango de valores
lndice de resistencia en el punto de aplición de la carga Resistenc.ia a la compresión axial
Clasificación 2.
Calidad del núcleo de perforación según RQO. Clasificación
3;
Espaciamiento de pí.mtós Clasificación
4:
4-8 MPa
2-4 MPa
1-2 MPa
> 200 MPa
100-200 MPa
50-100 MPa
25-50 MPa
15
12
7
4
90-100%
75-90%
50-75%
25-50%
20
17
13
8
>3m
1-3m
0,3-1 m
50-300 mm
30
25
20
10
5
Superficies con planos de deslizamiento o salbanda· < 5 mm de grueso, o grietas abiertas de 1 a 5 mm. Grietas continuas 6
Ligera salbanda mm 5 < de grueso o grietas abiertas más de 5 mm. Grietas continuas.
Superficies muy ásperas. No. son continuas. No están separadas. Roca de respaldo muy agrietada
Condición de las juntas
a) Infiltración por cada 10m de longitud de túnel 5. Flujo de agua b)Relación
Superficies ligeramente ásperas. Separación < 1 mm. Roca de respal- · do muy agrietada
25
Clasificación
Para este rango tan bajo, se prefiere una prueba de compresión axial. 10-25 3-10 1-3 MPa, MPa .MPa
> 8 MPa
Superficies ligeramente ásperas. Separación < 1 mm. Roca de respaldo ligeramente agrietada
20
12
Ninguna ó
ó
Presión E del agua en la fisura esfuerzo principal mayor
o
ó
ó
3 <50 mm
o > 125 1/min ó
O. 2-0.5
O. 0-0.2 ó
> 0.5 ó
ó ·completamen·te seca
e) Condiciones genera~ les
Valor
.10
25
Humedad solamente (agua intersticial) 7
Agua a una presión moderada.
4
o
< 25%
25-125 1/min
< 25 1/min
1
2
Problemas severos de agua
o
Tabla VIl. Parámetro
(Cont.)
Rango de valores '
B- Ajuste de la clasificación de acuerdo a la orientación de las grietas
Orientación del rumbo y echado de las grietas Túneles Clasificación Cimentaciones Taludes
Muy Favorable
o
o o
Favorable -2
Regular -5
-2 -5
Muy Desfavorable -12
Desfavorable -10 -15 -50
-7 -25
241-Y40a
-25 -60
'
-
.,
C- Diferentes clases de macizos rocosos determinados en base a las clasificaciones totales 100-81 1 Muy buena roca
Clasificación Clase Núm: Descripción
80-61 11 Buena roca
60-41 111 Roca regular
40-21 20 IV V Roca pobre Roca muy pobre
D- Significado que tienen las diferentes clases de macizos rocosos \
Clase Núm: Tiempo promedio en que se soporta por sí sola Cohesión del macizo rocoso Angulo de fricción interna del macizo rocoso
.J
1 10 af'los
11 6 meses
para claros de S m
IV 5 horas
V 10 minutos
para claros para claros de 4 m de 3m
para claros de 1.5 m
para claros de menos de O.Sm
>300 KPa
200-300 KPa 150-200 KPa
100-150 KPa <100 KPa
>45°
40°-45°
111 1 semana
1
35°-40°
30°-35°
<30°
* Salbanda: material suave que se encuentra en las diaclasas (zonas de falla).
2.6
e. Características de discontinuidades.
La clasificación geomecánica o RMR (Rock Mass Rating)
2.6.1
f. Condiciones hidráulicas.
Generalidades
2.6.2
Fue desarrollada especialmente para la ingeniería de rocas.
Este se obtiene de la Tabla VIl. También en este caso representa la calidad del macizo rocoso en relación a su necesidad de soporte, independientemente del tipo de obra, de sus dimensiones, así como del procedi-. miento constructivo.
Utiliza seis parámetros
a. b.
Valor RMR
Resistencia a la compresión simple de la roca intacta. RQD.
c.
Espaciamiento de discontinuidades.
2.6.3
d.
Orientación de discontinuidades.
a. Se divide el túnel en regiones.
26
Método de operación
b.
c.
Se determina el valor de cada uno de los seis parámetros mediante observaCiones y mediciones de campo, para cada una de las regiones. El método proporciona una descripción detallada para la calificación de cada parámetro.
En la formulación de esta tabla, se ha tomado en cuenta:
Se asigna una calificación para cada uno de Jos primeros cinco parámetros y se obtiene la suma para obtener la "calificación básica" del macizo en cada región, auxiliándose de la Tabla VIl, Sección A.
d.
Se toma en cuenta la influencia del rumbo y echado de las discont~nuidades ajustando la "calificación básica" del macizo, auxiliándose de la Tabla VIl, Sección B, donde se é:Ja un tratamiento diferente según se trate de un túnel, una cimentación o un talud. la calificación, según la orientación, es cualitativa y se define con el auxilio de una tabla.
e.
Finalmente, de acuerdo con la Tabla VIl, Sección C, se obtiene la Clasificación del Macizo Rocoso (RMR), en cualquiera de los cinco grupos.
f.
Si se requiere un tiempo de sustentación mayor, puede alcanzarse éste mediante la colocación de un sistema de soporte, de acuerdo con la Tabla VIII
Ancho del túnel Método de Construcción. El sistema de soporte propuesto puede considerarse como definitivo, por lo que no se requerirá ningún revestimiento adicional de concreto. Sin embargo, se recomienda observar el comportamiento del túnel para asegurarse de su estabilización.
2.7.1
Generalidades Fue desarrollado en el Instituto Noruego de Geotécnia.
la Sección D de la propia Tabla VIl muestra el significado físico de cada una de las cinco clases de macizo rocoso.
2.6.4
Sistema Q (Barton, lien, lunde)
2.7
Representa una contribución significativa por las razones siguientes:
Información de salida
Para el caso de túneles, el Sistema de Clasificación Geomecánica proporciona el tiempo de sustentación, de acuerdo con la Fig. 8.
100
HORAS
2
b.
Es un sistema cuantitativo.
!t ~ 1
COLAPSO INMEDIATO
.
30
• •
•
-
V' ',
....::
10¡;;;'
•
•
50
..
"\ \_ ,..,
70
~ 1
~
•
NO REQUIERE SOPORTE
~f""20
10
HORAS
MINUTOS
TIEMPO EN QUE SE SOSTIENE. POR SI
Fig. 8
SOLA~ LA
ESTRUCTURA
Clasificación Geomecánica: Relación entre el tiempo en que se sostiene por si sola la estructura y el cla. ro no soportado.
27
\
I
•
_!,...1"'
Jr
¡,¡¡¡
\
•
110
1
\
1 30
-
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3456810 111
!k
1
207'
2
3 4 5678101
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40
:so
2
15 3)25 1
10
EÑEL ~~sp DE MI1 S 1
50
AÑOS
MESES
3 4 5 6
80 70 60
2
Se basa en el análisis de alrededor de 200 túneles en Escandinavia.
DI AS
10
1
HORA
a.
80
\ \ \
\ 1
Tabla VIII. Guía de acuerdo a la clasificación geomecáriica para excavaciones y ·soporte de túneles en roca (anchos de túnel 20 a 40 pies, construcción: barren ación y voladura).
Soporte
Clase de macizo Rocoso. Muy buena roca
1 RMR: 81-100 Buena roca . 11 RMR: 61-80
Excavación Frente completo Avance de 10 pies
Anclaje* (longitud: 1/3 a 1/2 del ancho del túnel)
Concreto lanzado
Marcos de acero
Generalmente no require soporte excepto el colocar ocasionalmente anclas
Frente completo. Avance de 3 a 5 pies. Soporte completo a 60 pies del fumte.
Anclajes locales en el techo de 10 pies de long., espaciados 8 pies, con una malta de alambre que se coloca ocasionalmente.
2 pulg. en el techo donde se requiera
Ninguno
Galeria de avance y banqueo. Avance de 5 a 10 pies en el frente. Comenzar sustentación después de cada voladura. Soporte completo a 20 pies del frente.
Uso sistemático de anclaje de 12 pies de long., espaciados de 5 a 6 pies en el techo y las paredes con malla de alambre en la bóveda.
2 a 4 pulgadas en el techo y 1 pulg. en 1as paredes
Ninguno
Roca pobre IV RMR: 21-40
Galeria· de avance y banqueo. Avance de 3 a 5 pies en el frente. Instalar soporte al ir haciendo la excavación.
Uso sistemático de .anclaje de 12 a 15 pies de longitud, espaciados de 3 a 5 píes en el techo y las paredes con una malla de alambre.
4 a 6 pulgadas en el techo y 4 pulg. • en las paredes.
Marcos ligeros a medianos espaciados 5 pies donde se. requieran.
Roca muy pobre V RMR: 20
Varios frentes, avance de 1.5 a 3-pies en el frente Instalar soporte al ir haciendo la excavación. Concreto lanzado tan pronto como se pueda después de realizar la tronada.
Uso sistemático de anclaje de 15 a 20 pies de long., esciados de 3 a 5 pies en el techo y en las paredes con malla de alambre. Plantilla de anclaje.
6 a 8 pulg. en el techo, 6 pulg. en las paredes y 2 pulg. en el frente.
Marcos medianos a pesados, espaciados 2 pies y 6 pulg. con revestimiento metálico y utilizando puntales y listones de avance en el frente, si es necesario. Plantilla de cierre
Roca regular
111 RMR: 41-60
• La longitud de las anclas que aquí se especifican son aplicables a túneles de 30 pies de ancho.
28
c.
Es un sistema ingenieril que permite el diseno de soportes para túneles.
los parámetros RQD y Jn se pretende que representen la estructura del macizo rocoso y a su cociente se le atribuye la representación del tamano del bláque.
Utiliza seis parámetros independientes. a.
RQD.
b.
Número de familias de diaclasas. (Jn)
c.
2.7.2
El cociente Jr/Ja se dice que está relacionado con la resistencia al corte entre bloques. El quinto parámetro, Jw, es una medida de la presión del agua, mientras que el sexto parámetro es una medida de:
Rugosidad de la familia de diaclasas más desfavo-
~~~(J~
a.
o
la carga de aflojamiento, en el caso de zonas intensamente fracturadas o de roca con arcilla en las caras de las fracturas.
d
Grado de alteración o relleno de las diaclasas más desfavorables. (Ja)
e.
Flujo de agua hacia el túnel. (Jw)
b.
Del estado de esfuerzos en roca sana. -
f.
Estádo de esfuerzos existente en la vecidad del túnel. (SRN) (Stress Reduction Number).
c.
De las cargas producidas por roca que fluye o por roca expansiva.
No toma en cuenta la orientación de las discontinuidades.
A este sexto parámetro se le llama "parámetro del esfuerzo · total".
Para la selección del soporte sólo considera anclas y concreto lanzado.
El cociente Jw/SRF se dice que describe el esfuerzo actuante. El valor de Q se relaciona con el soporte requerido mediante la definición de la "dimensión equivalente" de la excavación, que es una función de las dimensiones y de la utilización de ta excavación; se obtiene de:
El valor de Q Los parámetros utilizados se agrupan en la siguiente expresión: RQD
.J
Q =~X Ja
100
a
X
Jw SRF
Dimensión Equivalente = . Ancho, diámetro o altura ESR
EXCEPCIOOAI.MENTE EXTREMADAMENTE POBRE POBRE
MUY POBRE
POBRE
REGUlAR
BUENO
MUY BUENO
EXT. BUENO
EXC. BUENO
8
f4--"
e~ "' ~~~~~~~~~!!~~~~~~~~~:!~~;:~~~~~~~~~~~~~~~ ~ ~ ~-a:
U)
40 20
1
3!J 2!
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28
o
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33
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o
" -,_A ~J_O-
o 34
~ - 1~ o o 21
~-lf!I=I-I+-+.-+--H=-HIH+--+-++t-Hittl
~ 25 • .,.--f!!~.4.f+l+-.......H-++++++I---t-t-+++11tt1 "",-
NO
REQUIEREN
DE
SOPORTE
36 0.4 '""" 0.2~
~
CALIDAD DEL MACIZO ROOOSO
Q:
(~ x ( ~~) x(;;)
NOMENCLATURA: o
• •
~
.~o, •31 1• o~2j~~f':C!oll 27 o~ ~8~L~~~-oo~ -,,l,3~~~~~~~iJ~ •
1
1::- o o 38
37
35 o
•
12~~ 1 ~1--:::-r 7__..- 2 -?
CASOS RECOPILADOS POR BARTON Y OTROS CASOS RECOPILADOS POR CECIL EXCAVACIONES SIN SOPORTE
Fig. 9
Sistema Q dimensi6n equivalente vs. calidad del macizo rocoso (después de Barton). ·
29
i.
Donde: ESR (Excavation Support Ratio) tiene que v~r con el tipo de obra y el grado de seguridad requerido.
El límite superior para excavaciones sin soporte se puede definir utilizando las gráficas de la Fig. 10 o mediante: 0.4 Claro máximo sin soporte 2 (ESR) Q
=
Modo de operación
2.7.3
a.
La longitud total del túnel se divide en regiones de características similares.
j.
La Fig.11 permite definir el tiempo de sustentación a partir de Q y del claro en metros.
b.
Se determina el valor de RQD en cada región. Si no se cuenta con corazones de roca, el RQD se estima a partir del número de diaclasas por unidad de volumen, sumando las diaclasas por metro lineal de cada familia, con lo que se obtiene Jv.
k.
La Fig. 12 ·proporciona la presión (Ptecho) que soportará el ademe; esta gráfica se basa en:
Ptecho
=
Jr
Para rocas sin arcilla: RQD Para Jv
< 4.5 - RQD
J>ara RQD
s
=
115- 3.3 Jv
Si el número de familias de discontinuidades es menor de tres, la expresión anterior se tranforma en:
= 100%.
10, se le asigna un valor nominal de 10.
P te e h o
c. Se definen los valores de Jn, Jr, Ja, Jw ySRF con base en la información de campo y haciendo uso de la Tabla IX.
g. Con el valor de Q y de la dimensión equivalente se entra a
Jr
Q
Lauffer, H. "Gebirgsklassifizierung für den Stollenban." Geo/ogie und Bauwesen, Vol 24, No. 1, 1958, pp. 46-51.
la gráfica de la Fig. 9 y se elige el dígito más próximo, que corresponde a la categoría del soporte, cuy'a descripción detallada se consulta en tablas de tipo de la Tabla X, que proporcionan el soporte definitivo. Para definir soportes temporales, Q se incrementa a 5Q o ESR se incrementa a 1.5 ESR.
Stini, 1., "Tunnel baugeologie" Springer Verlag, Viena 1950, p. 336. Pacher, F., Rabcewicz, L. y Gosler, J. "Zum Derseítígen Stand der Gibergsklassi -fiz~erung in Stollen- und Tunnelbau". Proceedings, XXII Geomechanics Colloquium, Salz-burg, 1974, pp. 51-58.
h. La longitud de las anclas se define como: B/ESR
* Cording, E.]., Hendron, A.]. y Deere, D.U., "Rock Engíneering for Underground Caverns". Proceedings, Symposium on Underground Rock Chambers, ASCE, Phoenix, Ariz. 1972. p.p. 567-600.
Donde:
= ancho de la éxcavación. Tabla IX.
Vz -1 -%
Terzaghi, K., "Rock Defects and Loads on Tunnel Suppor". Rock Tunneling with Stee/ Supports. Ed. R.V. Proctor and T. White, Commercial Shearing Co., Youngstown,, Ohio, 1946. pp. 15-99.
f. Se define la dimensión equivalente.
B
2 Jn 3
Wickham, G.E., Tiedemann, H.R. y Skinner, E.H. Support Determination Based on Geo/ogic Predictions. Proceedings, Rapid Excavation Tl"'meling Conference. American lnstitution of Minin~:, Engineers.
e. Se selecciona el valor de ESR de acuerdo al tipo de obra, variando desde 3 a 5, para excavaciones mineras temporales, hasta 1.0 para centrales hidroeléctricas, carreteras principales, portales, intersecciones (0.8 para plantas nucleares, estaciones ferroviarias y fábricas) ..
= 2 + 0.15
=
3. Referencias
d. Con los valores anteriores se calcula el valor de Q.
L
2.0 Q -1/3
Sistema Q: Descripción y valores de los parámetros
l. Descripción de calidad
(RQD)
O a 25
A. Muy mala
B. Mala
25 a 50
c.
50 a 75
Regular
75 a 90
D. Buena
90 a 1oo
E. Excelente
Nota.- Cuando, RQD < 10, incluyendo el valor cero, se emplea valor 10 en el cálculo de Q.
30
'\.
TABLA IX (Continuación)
2. Número de familias de diséontinuidades
A. Masiva, ninguna o pocas discontinuidades.
0.5 a 1.0
B. Una familia
2
C. Una familia más distribución aleatoria
3
D. Dos familias
4
E. Dos familias más distribución aleatoria
6
F. Tres familias
9
G. Tres familias más distribución aleatoria.
12
H. Cuatro o más familias, d,istr-ibución aleatoria, intensamente fracturada, fragmentos pequenos, etc.
15
l.
20
Roca triturada, granular tipo suelo
Nota.- En intersecciones úsese 3
X
por Jn y en portables 2 x Jn.
3. Rugosidad
(J r)
a)
Cuando existe contacto roca con roca en las juntas y
b)
Cuando existe este contacto antes de 10 cm de desplazamiento de corte.
e)
(Jn)
A. Juntas di~continuas
4
B. Asperas y onouladas
3
c.
2
Tersas y onduladas
D. Lustrosas y onduladas
1.5
E.
1.5
Asperas y planas
F. Tersas y planas
1.0
G. Lustrosas y planas
0.5
cuando no hay contacto roca con roca al existir desplazamiento de corte. H. Rellenas de arcillas, limos, arenas o gravas con espesores tales que impiden el contacto de roca con roca.
1.0
Nota.- Suma 1.0 al Jr si el espaciamiento medio de las discontinuidades importantes es mayor de 3m.
4. AlteraCión y relleno de juntas
(Ja)
a) Cuando existe contacto entre roca y roca en las juntas. A. JÚntas limpias o con relleno resistente e impei'me·ables como cuarzo y epidota · B. Juntas apenas oxidadas superficialmente.
0.75 1.0
C. Paredes ligeramente alteradas. Relleno de materiales que no pierden resistencia al deformarse como roca desintegrada y particulas de arena sin arcilla.
2.0
D. Paredes recubiertás o con rellenos arcillo-arenosos que no pierden resistencia con la deformación.
3.0
31
TABLA IX (Continuación)
E. Rellenos de minerales de arcilla que pierden resistencia al deformarse como caolinita, mica y también talco, yeso, grafito, etc. y pequenas cantidades de arc:fllas expansivas. Los rellenos de esta clase son discontinuos y de 1 a 2 mm o menos de espesor.
4.0
b) Cuando existe contacto entre roca y roca en las juntas antes de 10 cm de cizalla. F. Relleno de partículas arenosas o roca desintegrada sin aréilla.
4.0
G. Rellenos continuos de menos de 5 mm deespesor de arcilla fuertemente consolidada que no pierde resistencia al deformarse.
6.0
. H. Rellenos continuos de menos de 5 mm de espesor de arcilla con preconsolidación de media a baja, q~e pierde resistencia al deformarse.
8.0
Rellenos continuos de menos de 5 mm de espesor de arcilla de alta plasticidad. El valor deJa depende del porcentaje de partículas de arcilla expansiva, de la factibilidad de entrar en contacto con el agua, etc.
8.0 a 8.12
l.
e) Cuando no hay contacto con roca al existir desplazamientos de corte.
K.LM.
Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y arcilla (véase la descripción de la arcilla de G, H, 1 respectivamente)
6.0, 8.0 ó
8.0 a 12 Zonas o bandas de limo o arena arcillosas con pequena cantidad de arcilla (no pierde resistencia al deformarse)
N Q.P.R.
Zonas o bandas de arcilla continua y de espesor considerable (véase la descripción de la arcilla de G, H, 1, respectivamente). (Jw)
5. Condición de flujo de agua
A. Ambiente seco o flujo reduCido por ejemplo, calmente.
5.0 10.0, 13.0 o 13.0 a 20.0 Presión hidrostática aproximada en kg/cm2
< 5 1/min lo1.0
1.0
B..Flujo o presión medianos •. lavado ocasional. del relleno de · · las juntas.
0.66
1.0 a 2.5
C. Flujo o presión grandes en roca competente con juntas limpias.
0.5
2.5 a 10.0
D. Flujo o presión grandes, lavado considerable del relleno de las juntas.
0.33
2.5 a 10.0
E. Flujo excepcionalmente grande o presión durante explo0.2 a 0.1 siones que decae con el tiempo.
10.0
F. Flujo excepcionalmente grande o presión constante sin r~ 0.1 a 0.5 ducirse en forma perceptible.
10.0
Nota 1.- Los factores Ca F están burdamente estimados. El valor de Jw deberá aumentarse si hay necesidad de instalaciones de drenaje. Nota 2.- Los probl~,;,as especiales que caus~ el hielo al formarse en el interior de las grietas no han sido considerados.
32
TABLA IX (Continuación)
6. Condición de esfuerzo a)
Existencia de zonas de debilidad que intert:eptan la ex cavación y pueden ocasionar que se formen zonas de material suelto al excavar el túnel A.
(SRF) 10.0
Numerosas zonas de debilidad conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente o roca muy suelta cualquier profundidad
a
5.oe 2.5'
B.
Zonas de debilidad aisladas conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamÉmte a una profundidad de 50 m. o menor
c.
Igual a B a una profUndidad de más de 50 m
D.
Zónas de corte numerosas en roca competente sin arcilla o roca suelta a cualquier profundidad
2.5
E.
Zonas de corte aisladas en roca competente sin arcilla a una profundidad de 50 m o menor !
5.0.
F.
Igual a E a una profundidad mayor de 50 m
c.
Roca suelta con discontinuidades abiertas, roca intensamente fracturada
b)
H. l. j.
K. l.
7.5 5.0
Roca competente con altos esfuerzos
Re/u,
Rtla,
Esfuerzos reducidos cerca de la superficie del terreno.
>200
>13
Esfuerzos medianos
200 a 10
1.0
13 a 0.66
~sfuerzos grandes estructura bien interco-
nectada
10 a 5
0.66 a 0.33
0.5 a 2
Ocurrencia leve de estallidos en roca masiva (mild rock bursts)
5 a 2.5
0.33 a 0.16
5 a 10
Ocurrencia importante de estallidos en roca masiva (heavy rocks bursts)
<2.5
<0.16
10 a 20
Extrusión de la roca bajó la acción de grandes esfuerzos
e)
M. Extrusión leve N. d)
5 a 10
Extrusión importante
10 a 20
· Expansión de la roca debido a la presencia de agua y esfuerzos
o.
Expansión leve
P.
Ex¡:>ansión importante
5 a 10 10a 15
Nota 1.
Reducir en a) el valor de SRF del 25 al 50 por dento si las zonas de debilidad importantes influencian pero no interceptan la excavación.
Nota 2.
01 y u3 son los esfuerzos principales-mayor y menor y Re y R1 son léi resistencia de compre· ·· · sión y tensión respectivamente.
Nota 3.
Cuando 5 < u1/u3 < 10, se recomienda reducir Re y Rt alBO por ciento cuando u,Íu3 se deberán reducir Re y R1 a un 60 por ciento.
Nota 4.
En H se sugiere aumentar el valor de SRF de 2.5 cuando la profundidad del túnel sea menor que su claro.
33
> 10,
Tabla X Sistema- Q: Medidas del soporte de macizos rocosos de "excepcional" "extremadamente buena", "muy buena" y "buena" calidad · (Rango de Q: 1 OOQ-1 O)
Categoría del soporte
Q
p kg/cm2
Factores condicionales RQD/Jn Jr/Jn
Claro/ ESR(m) (aprox.)
Claro/ ESR(m)
Tipo de soporte
1* 2* 3* 4*
1 OOQ-400 1 OOD-400 1 OOQ-400 1 OOQ-400
0.01 0.01 0.01 0.01
20.40 3Q-60 46-80 65-100
sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg)
5* 6* 7* 8* 9
400.100 40Q-100 400-100 400.100 100.40
0.05 0.05 0.05 0.05 0.25
12-30 19-45 30-65 48-88 8.5-19
0.25
14-30
0.25
23-48
0.25
40.72
0.5
5-14
0.5
9-23
10 :S 10
0.5
15-40
>
0.5
30.65
sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg) B(utg) 2.5-3m B(utg) 2-3 m B(utg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 2-3m B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 2-3m B(tg) 1.5-2 m +el m sb(utg) B(utg) 1.5-2m B(utg) 1.5-2m B(utg) 1.5-2m +S 2-3 cm B(tg) 1.5-2m. +el m B(tg) 1.5-2m + S(mr) 5.-10 cm B(utg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m +S (mr) 5-10 cm B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m + S(mr) 1Q-15 cm
~
20
< 20 10
100-40
~
30
< 30 11*
100.40
~
30
< 30 12*
100.40
~
30
< 30 13
40.10
~
14
40.10
15
4Q-10
16*
4Q-10
~
1.5
< <
10 10 10 10
~
10
~
< 10
~
~
< 1.5 ~
1.5
< 1.5 15 15
< 15
>
15
:S 15
* Estimaciones de los soportes hechas por los autores. El número de casos disponibles para estimar en forma confiable los requerimientos de soporte es insuficiente. El tipo de ,soporte que se usará en las categorías 1 a 8 dependerá de la técnica de voladura que se use. Medi¡mte voladura suave en las paredes y barren ación cuidadosa se puede prescindir del soporte. Si se utiliza voladura áspera en las paredes· puede resultar necesaria una simple aplicación de concreto lan_zado, especialmente en donde la' altura de la excavación sea > 25 m. El registro futuro de los casos deberá diferenciar las categorías 1 a 8. Claves: sb =colocaCión de anclaje; Y = bulonando sistemático; (utg)= no tensada con inyección de lechada; (tg)= tensada (puntas expansivas para macizos de roca sanas, inyección de lechada y postensado en macizos rocosos de muy pobre calidad); ver nota XI); S= concreto lanzado; (mr) + malla de refuerzo; clm = malla de eslabones de cadena; CCA =moldes de arcos de concreto; (Sr)= acero reforzado. La separación del anclaje está dado en metros (m). E1espesor del concreto lanzado o de los arcos de concreto está dado en centímetros (cm).
34
POBRE
EXC. BUENO
EXT. BUENO
MUY BUENO
BUENO
REGULAR
POBRE
·"'
:::11!100
.....
!50
~ 40
B
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10
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MUY BUENO
BUENO
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'
o 2
4
10
20
40
lOO
200
400
1000
CALIDAD DEL MICIZO ROCOSO, a
~
4
w
40
Sistema Q: Claro sin soporte 'vs. calidad del macizo rocosa (después de Barton).
50 AIIOS 10 AIIOS
e;; Q:
~
1 AÑO
!i! 1&.1
\
6;\rl
1 MES
1&.1~
1 SEMANA
2z Cl)
-J
1&.11&.1
5
1 OlA
~ ~
:E
m
1 HORA
1&.1
¡::
CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO , a NOTA: lAS ENVOLVENTES REPRESENTAN UN INTENTO PRELIMINAR DE PREDECIR CUAN10 DISMINUYE EL TIEMPO DE SUSTENTACION DEl TUNEL CUANDO EL ClARO ~ LA EXCAVACION SIN SOPORTE ES INCREMENTADO MAS ALLA· DEl MAXIMO CLARO DE DISEAO
Fig. 11
400
b. LIMITES DE DISEÑO SUGERIDOS PARA LOS VARIOS TIPOS DE EXCAVACIONES LDS VALORES DE ESR. MAYORES QUE 1·6 SE APLICAN A EXCAVACIONES TEMPORALES, PARA LAS CUALES SE ACEP • TARAN REQUERIMIENTOS MENOS RIGIDOS, EN LO QUE SE REFIERE A TIEMPOS DE SUSTENTACION DE LA ESTRUCTURA. SE REQUERIRA DE SOPORTE SI SON EXCAVADOS CLAROS • • MAYORES QUE LOS DADOS POR LOS LIMITES DE DISEAO.
HECHAS POR El HOMBRE QUE APARECEN EN lA'liTERATURA. LOS CUADROS REPRESENTAN ALGUNAS ABERTURAS NATURA . lES EN CARLSBAD, NUEVO MEXICO. LA CURVA ENVOlVENTE ES UNA ESTIMACION DEL MAXlMO • CLARO DE DISEflO PARA EXCAVACIONES PERMANENTES SIN NINGUN SOPORTE HECHO POR EL HOMBRE .
~
~
CALIDAD DEL MACIZO ROCO~, a
o. LOS CIRCULDS REPRESENTAN LAS EXCAVACIONES SIN SOPmTE
Fig. 10
2
Sistema Q: Tiempo de sustentación vs. calidad de maciso rocoso.
35
tooo
EXTREMADAMENTE POBRE
'"e
MUY POBRE
POBRE
BUENO
·MUY BUENO
EXT. BUEN D
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0:
a.. O.l : LOS PUNTOS TRAZADOS SE REFIEREN AL REGISTRO DE LOS CASOS QUE DESCRIBEN LA MEDICIDN Y EL DISEflO DE LAS PRESIO.NES ~~-4-4-+-J-H-HI---f-i DE SOPORTE DEL TECHO(DESPUES DE BARTON Y OTROS_ 1
0.01 0.001
0.01
1
CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO fig. 12
10
100
1000
* RQD : INDICE DE CALIDAD lE LA ROCA Q =(RJ~D}a(J;)•(~•) ** SRF: FAC'ItlR lE REWCCION !EL ESFUER2D
Sistema Q: Presión de soporte vs. calidad del macizo rocoso.
36
'.
ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS
.J.L. Rosas RESUMEN El presente trabájo pretende hacer resaltar la importacia de los estudios geológicos que se deben realizar en el proyecto de un túnel carretero; ya que son determinantes para la localización, diseño y construcción de la obra. · En primer lugar, se mencionan brevemente las etapas que debe de seguir un estudio geológico y los alcances de cada una. Se comentan los.métodos exploratorios comúnmente utilizados, y la forma en que debe presentarse la información de los estudios para su análisis. .
-.
.
.
Posteriormente, se analizan con 111ayor detalle las características geológicas de mayor importancia para la construcción y diseño de los túneles; como son la litología y estratigrafía, las discontinuidades, el estado de alteración, las condiciones hidrogeológicas, los fenómenos de geodinámica externa y los esfuerzos internos. Las discontinuidades se tratan con más énfasis, por ser de suma importancia en la estabilidad y seguridad de la obra. Se analizan la estratificación, las fracturas y diaclasas; y ias fallas; asimismo se mencionan todas las características que deben desc;:ribirse de las discontinuidades y la importancia de cada una. Por último, se mencionan los grados de confi.abilidad con la que pueden proyectarse los ragos geológicos superficiales a profundidad. 1
1.
INTRODUCCION
3a.
Comprende investigaciones adicionales, especiales o más detalladas, una vez que se ha elegido el trazo definitivó del túnel, cuyos datos habrán de ayudar al diseno final, a la estimación de costos del túnel y a la previsión de futuros problemas geológicos.
Un e~tudio geológico, debe prestar una atención especial a todos los rasgos geológicos que puedan influir en la localización, diseño y construcción del itúnel. Estos aspectos serán tratados con detalle en el siguiente tema. · Por lo general, ljnestudio geológico previo a la construcción y diseño de un túnel se efectúa en tres etapas: 1a.
Durante la construcción y operación'~del túnel se deben continuar los estudios geológicos, con la finalidad de verificar los estudios anteriores, de preveer problemas futuros y de .auxiliar a un mejor diseño del revestimiento.
Estudios preliminares
En esta etapa se realiza la recopilación y análisis de la información existente, y un reconocimiento preliminar del área de interés. En esta fase se pretende conocer el ambiente geológico-geotecnico general para planear y fundamentar las investigaciones subsecuentes. 2a.
Estudios especiales
',··
La información obtenida por la exploración ge,ológica se presenta para su análisis en forma individual e integral, para lo cual deben elaborarse:
Estudios de detalle
La segunda etapa es la más completa, puesto que está enfocada a determinar la factibilidad de un trazo en particular. En fase se consideran las diversas alternativ.as del trazo del túnel, basándose en la comparación de las condiciones geológicas y geotécnicas obtenidas con las exploracionés dentro de la ubicación general de la ruta.
Mapa geotécnicos. Perfiles geotécnicos individuales. Sondeo Socavón Pozo a cielo abierto Geofísico .
__ Para desarrollar los estudios de esta etapa es necesario auxi" liarse de diversos métodos de exploración; los cuales se, muestran ·en el cuadro de la figura 1.
Perfiles geotécnicos integrados o Sección geotécnica. Perfil de problemas geotécnicos específicos.
37
METOVO VE EXPLORACZON VETALLAVA
--
1
-
. '6'n de.t Subúle.lo " Z-nve~.t.Lgac.~-
1
1
METODOS,DIRECTOS
1
Fot·ointerpret_! ción Geológica.
1.
Levantamiento de
Perforaciones
Excavac1ones
1
METODOS INDIRECTOS
Métodos
Eléctrico Piloto
Refracción
Diversos métodos de exploración.
-
CARACTERISTICAS CEOLOCICAS DE LA LOCALIZACION, DISEf:IO Y CONSTRUCCION DEL TUNEL CARRETERO
tes y así conocer el origen, es-pesor, distribución y posición cronológica en la secuencia de las diversas unidades. E1conocimiento de la litología y estratigrafía es de suma importancia para saber, entre otras cosas, qu~ .tipos de rocas se encontrarán d-entro del túnel, qué problemas pueden causar durante la construcción ycon qué confiabilidad se pueden proyeCtar los datos de súperficie: ·· . ·
En este capítulo se hará una descripción de los rasgos geológicos más importantes para la localización, diseño y construcción de un túnel carretero. Se analizarán la litología y estratigrafía; las discontinuidades (estratificación, fracturas y fallas; así como la forma de describirlas); el estado de alteración de las rocas; los problemas relacionados con .el agua; la influencia de alteración de_ las rocas; los problemas relacionados con el agua; la influencia de los factores de geodinámica externa y de los esfuerzos internos. 2.1
litología y estratigrafía
Sl.smico de
Abierto
Fig. 1
:l.
eofísicos
Campo
2.2
Discontinuidades ..
El término discontinuidad se usa en Mecánica de Rocas, en . un sentido general, para designar cualquier interrupci9n física de la continuidad del macizo rocoso, e_ incluye todos los tipos de fracturas, planos de estratificación, fallas, planos de foliación y de esquistosidad, así com9 contactos litológicos.
0
Son importantes ya queform~n los principales planos potenciaÍes de deslizamiento, tanto de bloques aisfados, como de macizos rocosos.
Al hablar de la litología de una roca se hace referencia a su mineralogía, textura y su medio ambiente de depósito (fábrica), así como a algún nombre o término descriptivo de un sistema de clasificación reconocido, por ejemplo, cali;:a oolítica; pero este nombre y clasificación son únicamente gt>ológicos.
1
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'
'
'
•
•
'.
'-
:
'
A continuación, se analizarán con detalle la estratificación, fracturas y fallas, por ser las de mayor importancia.
Los terminas litológicos son útiles en la geotecnia de túneles, ya que su empleo es una relación entre la textura, fábrica y anisotropia estructural de las rocas de un determinado origen. Por ejemplo, una roca ígnea tiene una estructura densa con muy pequeñas diferencias en sus propiedades mecánicas (con sus excepciones); mientras que algunas rocas sedimentarias y metamórficas muestran una anisotropia considerable. Otra ventaja del nombre geológico, es la asociación que puede hacerse entre ciertos tipos de roca y otras características "in situ" qrie pueden presentarse. Por ejemplo, la presencia de caliza o yeso inclina a buscar fenómenos de disolución; el basalto indica la posible presencia de diaclasas. Sin embargo, en ocasiones el nombre geológico es insuficiente si no se complementa con otras características físicas co/ mo es una clasificación de tipo mecánico. . La estratigrafía, por su parte, permite establecer una relación entre las distintas unidades litológicas o formaciones presen-
Fig. 2
38
Influencia de la estratificación en el revestimiento de un túnel (Krinine, 1957).
EstratificaCión la posición relativadel futuro tún~l eón respecto a losplanos de la estratificación, .principalmente en> terrenos seqi- · mentarios, es importante desde varios puntos de v'ista: · .
2.i1
lapresión total sobre• el revestimiento de un túnel y la forma como se distribuye a IÓ largo de él, dependen primer lu~ gar, de la estratificación de la roca. los cuadros de la figura 2 muestran la ·influencia de esta discontinuidad: · ··
en
Existen dos posiciones extremas de la dirección de túneles en relación a la orientación de la estratifi~ación; y, entre ellas;·· hay numerosas posiciones intermedias.
o)
1. ' Túneles en dire~ción: Su eje longitudinal coincide con la dirección de los estratos (Fig. 3a). lo cuál es aconsejable si • la formación atravezada presenta buenas características. 2.
1
Túneles atravezando estratos: El túnel es llevado perpendicular u oblicuo a la dirección de las capas (Fig. 3b), lo cual-origina el irse enton~rando varios tipos de rocas con diferentes propiedades e inclinaciones, esto puede ocasionar problemas de est~bilidad o permeabilidad.
la )nclinación.de Jos estratos con respecto al túnel es también de importancia, por lo siguiente: Silos estratos son verticales, y se construye un túnel perpendicular al rumbo, cada estrato puede actuar como una viga dando mayor estabilidad (Fig. 4a); con la des· ventaja de que puede filtrarse mucha agua de la superficie o por su posición la efectividad de los explosivos es menor. En el caso de que el tune! sea paralelo al rumbo de los estratos verticales (Fig. 4b), la masa de roca del túnel se ..sostiene por lafric_ción. a lo largo. deJos .planos. En estos casos el límite superior de caídas de·roca,, de acuerdo · <::on'Ter:z:aghi (J940), nb se extiende una distancia mayor de 0.25 veces el ancho del túnel.
b)
Fig. 4
Sí la estratificación es inclinada pueden presentarse problemas de inestabilidad, más aún si se encuentran rocas alteradas, afalladas, fisuradas o intercalaciones de ,rocas. competentes e incomp~tentes con bajo ángulo de fricción (yesos, sal, lutitas carbonosas, etc.), o bien si existen esfuerzos verticales u horizontales naturales del macizo o por esfuerzos tectónicos (Tabla 1). En este caso hay que seleccionar correctamente el sentido de ataque del túnel para estabilizar lo mejor posible el frente (Fig. 5). En el caso de rocas horizontales la estabilidad del túnel es función del espesor de las capas, el fracturamiento y la resistencia a. la tracción de la roca y de su variación ·. co'n el contenido de agua; ya que una acumulación fuer· te de agua en el techo aumenta la carga.
t))
a)' '·
~
·r,·
>
Inclinación de los estratos con respecto al túnel: a) Túnel perpendicular al rumbo de capas verticales; b) Túnel paralelo al rumbo de capas verticales.
_.,<:J:/i~~~:,?~> -:.,· -77$_ ,: ·.·~·~-. ~;:·~· >0~<-.,~ c.o:-Vy ...-. ·
~~é~~~~%~~;;,~~-~Y.Y;f.~~~ .... :/.72_;! . . . ... ____ ,/->'-f ·--"·---···+·,~~,\~•:!>.·.-··' ~-;::.L.'·"~·. ·. y::x-;:;c-~::z;:J?:~.~~::¡:.;:·:;~~~~n~e'"..>:;
a Fig. 3
b
-. ·
< desfovora!l:• .
favorable
e
>
Posiciones extremas de la dirección del túnel eri relación a la orientación de la estratificación: a) Túnel paralelo ~1 rumbo de las cap~s. b) y e) Túneles perpendiculares al rombo. · ·
Túnel
fig. 5 Túnel atravezandó capas inclinadas.
'39
Caso N
--
-~~~~~~~a~~---
Influencia de la orientanon de la Pstratificación Pn la estabilidad de las obras subtPrránPas (C.~J. 1979)
Tabla l.
_ _ _.;__ _ _ _ _ _-f ·-~-- ------· -+----,...,:-:-:-:-~:-:---:-:-:-:----.-------.---,--......:....---------4 O-< ()( ( 20'. Las paredes late:ales se com· o•(O( ( , Los bloques caldos 1 70'<0C ( 90" La estabilidad depende en gran med1da 2 ~=o 70 CORTE _ DIAGRAMATICQ_ . .
Paralelo al eje IQngitu· dinal de la obra y echada igual aex.
Se tiene el caso de estratificación horizontal tratado en el inciso
2.4.21a
portan como en el casoac =O . ya que la roca falla a través de tos est~~tos y n.o a lo largo de-los planos de.debll~da~. 81
de as paredes son más frecuentes debido a que los bloques pueden deslizar a través
método recomendado en 2.4.2.1a. Por
ctón. La SUJBCtón de los blo-
zontalmente. los estrafos mterceptan el ·techo con. unilángulo pequeno y algunos b!oqu~s d1fiC. es de detecta~ .. quedan en
ancla¡e ligero. Para un estado de esfuerzos en que el esfuerzo horizontal es pequeno
1
~ro~~~e ~ ~~t'::ti~~c:~n~':;m~r:~:~-
d~ ros plan~s ~e estratifica-
~~~50 5~ue~~o: ~~~r~r~:~~e:es Y
otra parte. si el techó se ~xcava hori-
~~~~~:~t~.r~~~~~~~~ ~~n~~~~~t~~;~~e
o no
t t d problema de estabilidad T . es ruc ura 1 e 1~
exist~. debido al esfuer-
, 1 zo de tens1ón en el techo: al
~~~d~~ ~~:~~=~u~:r~~s c~~~:a~en
aumentar el ángulo a. la mestabilidad se incrementa
instalado en hileras longitudinales y no en bloques aislados.
2
PerpeMi· cular al eje de la obra y echado igual a 13
l
' ~'~ ··... ·...., )'! .
o<..8<'20. El problema de las paredes laterales
~=0
Igual a oc = o
y
l
3
Formando un ángulo ~con el e1e de la obra. Echado vertical.
_«._
·-
~~
f=O Igual a(3
= 90'
es similar al de O"< ex (20°. pero las con-:o..lilciones del techo son diferentes ya que se r;reará la situaci(ln critica de bloques sueltos en los extremos de los estratos. Sin embargo la estabilidad general de la formación suprayacente no queda afectada. Es conveniente asegurar la estabilidad por medio del anclaje sistemático del1eCI11> ya que es dit!cil detectar los bloques sueltos de los extremos de los estratos durante la excavación.
O(~ (io•. La
condición ~e estabilidad es tan la-1
· vorable corilo cuando
13 = oo•
,Y
20&<8(70°EI soporte local del' techo es menos importante a medida que ,. crece sobre 20" la resistencia al corte de las paredes es menor que en rocas masi\'as.
< <
20' 1 70' Puede requerirse soporte liQero en el techo y paredes laterales. pero la estabilidad general de la obra no se afecta
del estado de esfuerzos existente Para un estado de es1uerza hor\zantal sea \gua\ o mavor a un tercio del vertical. el cnterio de d1seno y/o evaluación de la esratJilidad debe ser el del jnctso 2.4 1 1 relativo a exc-avaciones en roca mas1va Cabe hacer notar-. sin embargo. que puede ser necesano también su jetar con anclas bloques en forma de cuna ,que tienden a desprenderse de las paredes Para un estado de esfuerzos en el cual el esfuerzo horizontal es igual a cero menor que un tercio del vertical. existirá esfuerzo de tensión en la clave y en el piso. los bloques de la clave pueden caer y el caldo extenderse hacia arriba en la direcc1ón de la estratificación. En la práctica este caso es común cuando se construye el túnel paralelo a la ladera del canon de un río
<
70"(/3 90"La arientac1ón (; = 90Q. aunque un tanto adversa a la eficiencia de la excavac1ón mediante explosivos. es la ma~or estabilidad para atraversar formaciones estratificadas
70'(
lf (90'Es la onentación más desfavorable con
estra11f1cacion vertical
..
y'
1
l
4
5
Paralelo al eje de la obra Estratifica· ción ondu· lada. Perpendi· cular al eje de la Obra. Estratificación ondu· lada.
Cuando el eje longitudinal de la obra subterránea deba ser paralelo al rumbo de los estratos eQ una formación ondulada en la que exista anticlinal y sinclinal la obra deberá ubicarse en el anticlinal donde existirá mayor estabilidad En el sinclinal la obra quedaría expuesta a deslizamiento de bloques hacia el interior-y a inundaciones y filtraciones.
Cuando el e[e longitudinal es perpendicular al rumbo de tos estratos en una formación ondulada con anticlir.ales y sll\~1\nales las presiones probables y. por tanto. la tendencia al deslizamiento de bloques al interior de la excavación varia a lo largo del túnel Los tramos desfavorables son las entradas de los anticlinales y los favorables son las zonas centrales de los m1smos En los sinclinales laS condiciones son· a la inversa
La situación estructural de las capas es.significativa, ya que si se construye un túnel en un anticlinal existirá mayor estabilidad, puesto que la presión vertical sobre el techo· es menor que en un sinclinal. Además, si la formación rocosa es permeable, en los anticlinales el agua escurrirá por los flancos, mientras que ~'n los sinclinales fluirá hacia el túnel (Fig. 6).
Fig. 7
Túneles situados en anticlinales y sinclil)ales (Krynine, 1957). En cuanto a la tendencia al deslizamiento de bloques al interior de la excavación, los tramos desfavorables son las entradas de los anticlinales y los favorables las zonas centrales de los mismos. En sinclinales las condiciones son a la inversa.
Sin embargo, es necesario tomar en cuenta, que en los anticlinales, los estratos superiores están más doblados y fisurados que los inferiores. por lo que es aconsejable tratar de situar el túnel a un¡¡ profundidad tal que la fisuración no tenga consecuencias o bien en los flancos de la estructura (fig. 7).
En los túneles cercanos a las laderas escarpadas una estratificación desfavorable puede poner en peligro la estabilidad de un túnel entero (Fig. 8). 2.2.2
Fracturas o diaclasas
La presencia de fracturas ·o diaclasas, cualquiera que sea su origen y roca que afecte, puede causar serios problemas de estabilidad, ya que comúnmente se presentan asociadas en ·uno o varios sistemas con diversas direcciones e inclinaciones. los cuales definen bloques inestables. Fig. 6
Un túnel donde el echado de las capas fracturadas sea de 30° o más, dará lugar a bloques inestables (Bell, 1980). Si las
Diversas posiciones de un túnel con respecto a la entrada de agua a la excavación (Zaruba, 1976').
40
Um1te de sección transversal según
proyecto (para pago)
•
1 "-'-..J..-'
1
Fig. 8
1 1 .~·-·-·-·-·-·_j
Túneles próximos a laderas escarpadas (Kiynine, 1957).
juntas buzan entre 45 y 90° y son paralelas al eje del túnel, se formarán bloques con tendencia a deslizar tanto en la clave como .en las paredes de la excavación (Fig. 9).
Fig~ 10 Las rocas estratificadas horizontales cuando son de espesor grande son estables (Bell, 1980). necesario seguir el trazo del túnel paralelo. a la falla, también es recomendable que se aleje lo más posible de ellas.
En el caso de rocas estratificadas horizontales, el fracturamiento es importante, ya que si el espesor de la capa es grande y tiene pocas fracturas el estrato actúa como viga proporcionando estabilidad (Fig. 10) sin embargo, las rocas con estratos delgados y fracturas tienden a dejar una zona inestable en el techo (Fig. 11), de aproximadamente 0.5 el ancho del túnel, (Bell, 1980). 2.2.3
Las fallas grandes están asociadas, por lo general, con fallas menores y con fracturas. La zona de dislocación puede ser de muchos metros. Los problemas tienden a incrementarse con el ancho de la zona de falla. En ocasiones, las zonas de falla están formadas por materiales alterados o faltos de cohesión con tendencia a fluir en el túnel y que puede confundirse con arena. Si. el relleno está formado por materiales expansivos, se producirán presiones sobre los revestimientos. También puede encontrarse milonita o algún material Impermeable que podría obstaculizar el paso del agua subterránea de uno ji otro lado de la falla, produciendo fuertes cargas hidrostáticas sobre el túnel; o bien, puede suceder lo . ·contrario, poniendo en contacto a rocas permeables que ocasionen fuertes entradas de agua al túnel.
Fallas
La presencia de fallas puede ocasionar múltiples problemas durante la construcción: Las fallas deben detectarse perfectamente; conocer su posición respecto al túnel y dónde están los bloques desplazados para planear el sentido de ataque y la formade estabilizar las paredes. Es importante determinar si la falla es inactiva o activa, ya que si este es el caso, poco podrá hacerse para proteger la construcción; ya que el túnel estaría sometido, repentinamente, a fuertes esfuerzos cortantes, que inclusive podrían ocasionar corrimientos.
~r·
Si por necesidades de proyecto hay que atravezar una falla, es conveniente hacerlo, lo m[\s perpendicular que sea posible, para así acortar la zona de problemas. Si eSI
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Fig. 9
,~·--L
8
1
L.
Fig. 11 Las rocas con estratificación delgada y en postcton. horizontal .o inclinada, que estén afectadas por fracturas dan lugar a desprendimientos en el techo (Bell, 1980).
Túnel en rocas. con fuerte inClinación de juntas. i) Junta entre 45 y 90° paralelas al eje del túnel, dejan bloques inestables A, 8 y E (Bell, 1980).
41
Tabla 11.
Clases
2.2.4
Densidad de las discontinuidades (Aftes, 1978)
Densidad de discon~inuidad
Intervalos entre las discontinuidades
ID
1
ID
2
de
60
ID
3
de
ID
4
ID
5
>
ery el macizo rocoso ....
·'Muy baja
200
cm
a
200
cm
Baja
20
a
60
cm
Media
de
6
a
20
cm
Alta
<
6
cm
Muy alta
Descripción de las características de las discontinuidades
Como se vió en los capítulos anteriores, las discontinuidades son de suma importancia para la estabilidad del túnel, por lo que se analizaron sus características y la forma de describirlas de una manera completa. a)
Densidad de las discontinuidades (ID)
/
Se refiere a la cantidad o frecuencia de discontinuidades que afectan al macizo rocoso. Para su medición se emplea como índice básico, el intervalo entre discontinuidades (ID) y se describen según los ragos de la Tabla 11. b)
al
Orientación e inclinación
a)
La orientación del plano de una discontinuidad está dada por el vector de buzamiento (P) del plano y la inclinación por el ángulo (8), mostrados en la figura 12.
b)
b)
Esfera que muestra la representación estereográfica de una fractura con rumbo NE 45° SW y echado 45° NW. El hemisferio inferior, empleado comúnmente en geología estructural.
La forma de representación aconsejable para manejar un volumen grande de datos, es por medio de estereograinas que permiten representar la posición y dirección preferencial de sistemas de discontinuidades, y mostrarlas en forma objetiva y estadística (Fig. 13). e)
Número de familias (N)
Los planos de estratificación de las rocas sedimentarias, y la esquistosidad y foliación de las rocas metamórficas, es común que se formen en una familia de discontinuidades, ya sea paralelas o subparalelas. Las diaclasas, fracturas y fallas, muy a menudo también se organizan en.varias familias, cuyos elementos son subparalelos; y ·tienen en común, además Nor!e(tt)
Nono IN)
DD~Eilll~~~~o-1
Fig. 12
Fig. 13 Dirección del vector Nap (con relación al norte (Aftes).
42
1-2
z-3 /
3·4
4-6
6-8
8-lo
10-11
11-12%
Diagrama de frecuencia de las 311 diaclasas de los montes en Adirondak representadas en el hemisferio inferior (C.F. E., 1979).
/
'Tabla U L Familias de discontinuidades (Aftes)
Tabla V.
lndice de calidad de la roca (Aftes)
·.•
'
,.
. Desc:rip<;ión Clases
N .1
,.
.. ; l)na
a
3
.
a ..
.:
a
...
~~
':
~
d) Espaciamientos (S o R.Q.D.)
,
El ~spaciairiiento medio ed~ ;dl!itaHcia qlii{existe e~ire las' discontinuidades sucesiv.as de una misma familia, según la perpendicular al plano de esta familia. 0
En'efcaso de macizos estratificados, se;determiná; principal~ rhente, 'el espesor dé hts capai ... .
.
'
de
90
a
75
Densidad de fracturación baja. )
RQD
3
de
75
a
50
Densidad de fracturación mediana.
de
50
a
25
Densidad de fracturación alta.
<
25
Densidad de fracturadón muy alta.
RQD
4
RQD
5
'
Existen nuevas técnicas para la medición del R.Q.D., a partir de datos de superficie, las cuales miden el número total de discontinuidades por metro cúbico o por metro Jineal. Sin embargo, estas mediciones deben ser corregidas para poder extrapolarlas al nivel del túnel, ya que la densidad de discontinuidades no es la misma en superficie que a profur¡didad.
~.
...
Clases
O e s cr i p e i ó n
Espacia
1 E
Otro parámetro de suma utilidad para medir lá frecuencia de , disCohtinúidades es ellndice de Calidad de la Roca (R.Q.D.), propuesto por D. Deere en 1963, el cual se basa en la recuperación tnodifieada de un testigo, con diámetro del orden de 50 mm. Sólo se toman en cuenta los t~ozos del testigo superiores a 10 cm, en estado sano y compacto, que sean cortadas por discontinuidades. La suma acumulada, expresada en porcentaje, sobre la longitud perforada, proporciona el 'índice de calidcid de la roca, el cual se relaciona con el espaciamiento y densidad de fracturamiento (Tabla V).
.
Tabia IV; Clases de espaciamientos· '-.t.
200cm
,.
3 E
2
Las clases de espaciamientos se muestran en la tabla IV.
Esta ,organización se observa directamente "in situ". y/o en · estereogratnas, y se describen·según la tabla IIL
S
RQD
-
de la direccióri, muchas otras características descritas más adelante.
2 E
Densidad de fracturación muy baja.
~
Varias~ discpntinuidades sin. jerárquización ni constancia. en la repartición,
:·
("
S
90
1
Tres (y más) familias principales y discontinuidades difundidas.
b
N :5 \::
>
RQD principal.
:... .· ·, ' ... Dos familias. principales y discontinui dades difundidas. ; ; :,:·:·· ''· :·.; . ; ' ' . . .· .. r~e.s (y más) fami.lias principales. ';
b
..
%
-
'
Descripción de la fracturación
o.
. D<:>sJamil.ias ,p~incipales.
,,,
N. 4
fan-~ilia
Una familia principal y discontinuida des difundidas. '
b
.S
Q.
Ninguna discontinuidad o algunas dis continuidades dispersas.
N. ,2.
N
R.
2 de 60 a 200 cm.
e) Continuidad Es importante investigar si las discontinuidades conservan o no su continuidag, tanto lateral como a profundidad. Una buena ayuda para comprender su comportamiento, es conocer el origen de las discontinuidades y el de .la roca misma.
Discontinuidades Capas muy muy espaciadas. gruesas .. . 'Discontinuidades Capas especiales. gruesas.
3 de 20 a 60 cm.
Discontinuidades Capas inemediamente di amente especiales. gruesas.
S
4 E
4de 6 a 20 cm.·
Ois
S
5 E
5 de 6éms.
Discontinuidades ·ca·pas múy delmuy reducidas. gadas.
f) Abertura La distancia entre las caras de una discontinuidad juega un papel primordial en su comportamiento mecánico; afecta también la circulación del agu{l en el macizo, y, como consecuencia, las filtraciones de agua hacia la excavación. g) Morfología Es un elemento. importante en el comportamiento mecánico, en particular su resistencia al corte; describe la planaridad,
43
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En el caso de túneles carreteros este parámetro es de suma importancia, ya que en algunas ocasiones, se tiende a construir los túneles, a poca distancia de la pendiente de una ladera con la finalidad de reducir su longitud, lo cual no es conveniente ya que es precisamente esta zona donde, comúnmente, es mayor el grado de alteración del macizo. También las zonas de los portales de entrada o salida del túnel son zonas de mayor alteración (fig. 15).
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ÍLISAS 1RI.'GüSAS
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!:JEMPl.O
Fig. 14
La alterabilidad (capacidad de una roca para alterarse en el futuro) de una roca es consecuencia de la fisuración y la alterabilidad específica de sus minerales.
~
~
11 S A S
La alteración se relaciona con la resistencia.y deformabilidad de la roca; ya quf¡! a mayor grado de alteración, menor resistencia y mayor deformabilidad del material.
DESIMBRICADAG
IMBRICADAS
~ª
Para describir el estado de alteración de lo~ macizos rocosos se recomienda utilizar la clasificación mostrada en la Tabla VI.
Discontinuidad ondulada lisa con relleno. Morfología de las caras de las discontinuidades (Aftes).
2.4
las irregularidades y la rugosidad de la superficie de las caras (Fig. 14). h)
Es lógico pensar que si el túnel esta excavado en rocas permeables y se encuentra por debajo clel nivel freático;-la presencia de agua dentro de él es muy probable. (Fig. 17); por lo
Relleno
El comportamiento de una discontinuidad sin relleno es muy distinto al de una con relleno; entonces es necesario precisar la naturaleza, el espesor, la alteración y la resistencia del material de relleno. 2.3
Condiciones hidrogeológicas
La construcción de un túneLpuedevariar el régimen hidrológico de un lugar, es decir la posición del agua dentro de las rocas, su dirección, velocidad de movimiento y provocar vá-=riaciones en el tiempo (Fig. 16).
Tabla VI.
Descripción del estado de alteración del macizo rocoso (Aftes).
Clase
Descripción
Terminología
A M 1
Ninguna seña visible de altera-· ción o indicios muy leves de alteración limitados a las superficies de las discontinuidades principales.
Sano
Estado de alteración
Las rocas al ser sometidas a la acción agresiva del ambiente, sufren modificaciones en su estructura y en su composición mineralógica.
intemperlzodo ~
1~ (
A M 2
M
A. Condiciones
B
M
Fig. 15
Levemente alterado
Medianamente alterado
A M 3
La alteración se extiende a toda la masa rocosa, pero la roca no es friable.
A M 4
La alteración se extiende a toda la masa rocosa y la roca es en gran parte friable.
Muy alterado
La roca está totalmente descome puesta y es muy friable. Sin embargo la textura y la estructura de la roca están preservadas
Completamente al_terado
A
de alto presión
A M 5
M.Condicianes de 11resoón media B. Condiciones
Las superficies de las discontinuidades principales están alteradas pero la roca sólo lo está levemente.
de boia.presiOÍ'I
¡
Extensión de la zona intemperizada (De Széchy, 1973, p. 59).
44
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.__
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r---· -------------=---1
.
•• e
Fig. 16.
Origen y distribución de conductas dP disolución er. calizas (Wahlstrom, 1973).
que es recomendable ubicar el túnel por encima del nivel hidrostático. La cantidad de agua que contiene el macizo rocoso depende de sus propiedades de almacenamiento y son las que condicionan la cantidad de agua que p~de drenar al túnel. Para que una roca contenga agua debe presentar una permeabilidad ya sea primaria o secundaria, esta última es mas común en los macizos rocosos, ya sea por fracturamiento o por fenónwnos de disolución (fig. 17). Las fallas, anticlinales, sinclinales y otras estructuras geológicas pueden también acumular el agua (Fig. 18).
Estos parámetros adquieren una importancia muy especial en el caso de los túneles carreteros cercanos a laderas, ya que es en estas zonas donde los fenónemos de geodinámica externa adquieren mayor importancia (Fig. 18). La acción erosiva del agua es de las más fuertes, produciendo entre otros problemas: alteración física y química de la roca; facilita el deslizamiento de los macizos rocosos al reducir el ángulo de fricción, etc.
En general, el caudal de agua que fluye en un túnel disminu- · ye a medida que se avanza en la construcción de éste. El fenómeno se debe al abatimiento gradual en el origen de la corriente y en la disminución del gradiente. También puede darse el caso de que con las operaciones constructivas se provoque un fracturamiento de la roca que ocasione un caudal de agua, o se corte una zona acuífera. aumento
La presencia del agua- superficial puede ocasionar infiltraciones al túnel, o bien si la fuerza de la corriente es grande, al paso del tiempo, podría llegar a entrar completamente a la excavación.
dzl
E1 intemperismo actúa sobre las rocas bajando su resistencia mecánica; se produce una zona de descompresión que crea' nuevas fracturas, o bien agranda las ya existentes, o las relle· na con materiales perjudiciales.
Es importante estimar correctamente el caudal de agua que entrará al túnel, así como la distribución de los flujos a lo largo de él y sus cambios con el tiempo, ya que estos influyen ·· en el programa de construcción..
Los cambios climáticos extremosos álteran fuertemente algunos tipos de roca (granito).
El agua puede penetrar al túnel de modos diferentes: ya sea goteando por el techo, con intensidad variable; por las paredes, en forma de gotas o corriente continua; bajo una fuerte presión puede irrumpir ery forma de chorro por cualquier punto de la periferia, debido a la presencia de alguna discontinuidad permeable.
El água infiltrada en las fracturas o poros al ser sometida a congelamiento aumenta su volumen ocasionando agrietamientos en el macizo. 2.6
Las rocas, especialmente a profundidad, están afectadas por el peso de los materiales que le sobreyacen y por los esfuerzos que éstas ocasionan. En algunas zonas, principalmente · en áreas orogénicas, .el estado de esfuerzos esta también influenciada por factÓres tectónicos, los cuales se presentan en diversas direcciones.
En el caso de túneles carreteros ubicados en las laderas de montaña y que se construyan sobre roca fracturada o alterada, es muy segura la presen~ia de agua durante la construcción, aunque no se encuentren necesariamente por debajo . del nivel hidrostático. 2:5
Esfuerzos internos
Geodinámica externa
Mientras las rocas c;ontlenen confinadas los esfuerzos se acumularán y pueden llegar a valores altos. Si se alter~ la condición confinante como en un túnel, los esfuerzos resi--
Corresponde a la actividad de Íos agentes modificadores del medio natural que se desarrollan externamente a la corteza
45
O·
Fig.18
50
' 100rn·
Pérfil de un Talud Colapsado. 1. Esquisto cloritico. 2. Superficie.Original de Ta" lud. 3. Superficie del talud del deslizamiento. (Zaruba, 1976).
duales ·pueden. causar •desplazamientos. La. ca'ntidad ·de movimiento depende de la magnitud de los esfu~rzos residuales. Los esfuerzos se miden mediante pruebas de campo ..
/Y echado conocidos por haberse medido en afloramie'ntos o en barrenos.
Las excavaciones subterráneas destruyen el estado de equilibrio existente de los materiales alred~~or del túnel y se establece un nuevo estado de esfuerzos. Es muy importante detectar y cuantificar la magnitud de los esfuerzos para lograr realizar un diseño del revestimiento adecuado y prevenir problemas de inestabilidad.
b)·
Estratos sedimentarios no plegados y no fallados de espesor constante cuyos detalles estratigráficos están disponibles en los exámenes de superficie o bajo superficie.
e)
Colad.as de lava o de materiales piroclásticos en las. que los espesores de las capas individuales no varían apreciablemente de un lugar a ,otro.
d)
Grandes intrusiones ígneas monolíticas, particularmente grandes cuerpos de granito.
3.2
Proyecciones con apreciable confiabilidad (Fig. 19b)
GRADO DE CONFIABILIDAD EN LA PROYECCION ~ PROFUNDIDAD O LATERALMENTE DE LOS RASGOS GEOLOGICOS OBSERVADOS EN SUPERFICIE
a)
Niveles de confiabilidad en la proyección a profundidad o lateralmente de los rasgos geológicos observados en superficie, según Wahlstrom (1971).
e).
Conjuntos de rocas sedimentarias falladas o plegadas pero con sef:tJencias claramente entendibles, rocas piroclásticas o coladas de lava, de espesor constante y cuya geometría de pleg-amientos y fallas es conocida.
3.1
d)
Conjuntos de rocas metamórficas gruesos, no fallados o moderadament~ fatlados, de estructura regional conocida.
3.
a)
Fallas maestras de tend(mcias conocidas en regiones de comph:ijidad geológica moderada.
b) .Sistemas de diaclasas a,sociados a fallas maestras.
Proyección con la máxima confiabilidad (Fig. 19a) Fallas aisladas y marcadas, zonas de falla o zonas diaclasadas con fronteras planas y bien acusadas de rumbo
46
l1fi~:;¡;~j[~f[;f~~~o:;;-~~~~'il=-=.,¡ ''
Nivel del Túnel
Nivel del ---------------, Túnel
Fig.19 3:3 P~oyeccioríes con cierta r~serva respecto a la precisión de la proyección (Fig. 19c) áf~llamiento
a)
Fállá. secundaria en áreas de
b)
$istemas de diaclasas asociapos de fallas subsidiarias o· secundarias. Rocas estratificadas plegadas o falladas en las que la geometría de fallas y fracturas es conocida sólo parcialmente. Conjuntos de rota estratificadas con discordanCias an~ gularés. · · ·
'
e)
d)
k) /)
complejo.
-
3.4 a)
b)
e) . Conjuntos de rocas _estratifi-cadas altamente lenticulares. · f)
!
e)
_Intrusiones ígn~as transversales como diques y "stocks". d)
g)' lntemperización localizadU.Io largo de la zona de frac'turamiento. · · ·
hí Alteración destructiva a profundidéJ,d .por soluciones i) j)
Inclusiones lenticulares de rocas metamórficas en cuerpos ígneos. Intrusiones ígneas concordantes como los sills.
3.5
templadas a calientesde una diversidad de orígenes. · Sistemas o familias de diadasas aparentemente no relacionados a fallas maestras o ·a fallas secundarias. Intrusiones ígneas lenticulares en r?cas metamórficas.
a) b)
47
Proyecciones dudosas (Fig. 19d) Fallas o ·sistemas de diaclasas o subsidiarias, que no afloran en superficie ni se encuentran en los barreno_s y que se supone están presentes por los resultados de prospecciones geofísicas de superficie o .del análisis de la cubierta de roca y de los rasgos topográficos. Zonas alteradas de formas irregulares y de controles estructurales desconocidos. Rocas estratificadas con estratigrafía y tendencias poco o mal conocidas. Rasgos de superficie identificados sólo por mapeo de muestras lavadas o de residuos de roca y suelo. Proyeccion~s muy dudosas ProyecCiones ·basadas en hipótesis derivadas del co~oci miento de la historia geológica del área. Proyecciones basadas en la teorización e imaginación del geólogo sin una adecuada investigación en el terreno.
ESTUDIOS PREVIOS
C. F. Salinas F.
1.
Con esta clasificación los localizadores y proyectistas se enfrentan a las primeras limitaciones. En las siguientes etapas tendrán que aplicar su mejor técnica para sortear los problemas topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos y de uso de suelos.
CRITERIOS DE lOCALIZACION
En. la planeación y proyecto d~ carreteras debe considerarse seriamente la 'necesidad de prever parámetros que permitan proporcionar a los usuarios el más alto nivel de servicio dentro del marco de posibilidades económicas con que cuenta el país.
El prob.lema topográfico es sin lugar a dudas el más significativo en nuestro país, ya que ~1 70% del territorio nacional es montañoso, lo que ha obligado hasta ahora a localizar los caminos con fuertes desarrollos con ascensos y descensos muy importantes.
Es por eso -que al contemplar el crecimiento de la demanda de mejores y más eficientes sistemas de comunicación terrestre, la preocupación por abatir los costos de operación y mejorar la calidad del medio ambiente, conducen a pensar cada vez más en opciones más audaces, como viaductos, Y túneles, formando parte inherente de las soluciones a los problemas carreteros.
Tomando en cuenta esta configuración topográfica del país, algunos de los est~dios de modernización de carreteras concluyen hacia la necesidad de realizar acortamientos importantes a las distancias por recorrer; correspondiendo a la alternativa de túnel ser una opción importante á estudiar.
la importancia y complejidad de los problemas de circulación se ponén de manifiesto en la atención constante con que se examinan las redes de carreteras, y es por medio de amplios estudios que se trata de alcanzar una solución, a los problemas del transporte, evaluada en términos de mejoramiento de los flujos de circulación, de economías en distancias y tiempos y del abatimiento del costo total de estos proyectos.
Paralelamente a la modernización de carreteras, en donde la tendencia en la construcción es hacia mayores seccion~s transversales con pendientes longitudinales y curvaturas suaves que provocan cortes y terraplenes considerables, se ha ~enido observando un conflicto de mala apariencia y falta de integración al paisaje ya que a su paso se provoca en múltiples ocasiones un .aspecto artificioso o de destrucción y que además afecta el eql!ilibrio natural de la zona al producirse erosiones, interrupciones de cuencas y diversas consecuencias de tipo biológico. la solución de paso subterráneo en ocasiones resulta una alternativa viable ya que reduce en forma notable la magnitud de los desarrollos por superficie y permite minimizar las perturbaciones provocadas.
Por otra parte, la urgente demanda de servicios. y la ·limitación de recursos económicos ha justificado la realización de análisis cuidadosos para' tratar de que las inversiones que se apliquen en la construcción de carreteras beneficie al mayor número de personas o a la mayor área del territorio nacional. / Para jerarquizar en lo posible los recursos disponibles de acuerdo a la magnitud de las necesidades, los proyectos de carreteras se han clasificado en seis tipos, que van d,esde el "Especial" para soportar eficientemente un tránsito de más de 15 000 vehículos de tránsito promedio diario anual (T.P.D.A.) hasta el conocido como tipo "E" para menos de 50 vehículos d.e T.P.D.A ..
Se nos presenta entonces la necesidad de abocamos al estudio de rutas que en forma de análisis alternativo contemple todas las posibilidades económicamente lógicas para alojar el camino en cuestión sean opciones totalmente superficiales o con tramos subterráneos. El estudio de rutas es un proceso que involucra varias actividades, que van desde la recopilación de información Y ~náli sis de la misma, hasta los levantamientos terrestres Y aereos que sean necesarios para plantear a este nivel la locali~ación de acuerdo a las especificaciones de proyecto, optimizando características y ventajas. de cada alternativa.
En cada uno de estos tipos varían las características geométricas a que debe sujet~rse el diseño. Correspondiendo al primer caso la corona más amplia y los alineamientos vertical y horizontal más suaves para permitir mayores capacidades; disminuyendo la dimensión de la corona y tornándose más fuerte los alineamientos, conforme disminuyen los volúmenes de tránsito de proyecto.
la geología y la geotecnia tienen un factor determinante en la localización de la obra y de hecho constituyen la información básica para el desarrollo del proyecto.
48
Las limitaciones que estos elementos impongan normarán en gran m~dida las necesidades que principalmente en el túnel deban ser cubiertas, especialmente por lo que respecta a las opciones que se pueden presentar en la solución de la sección transversal.
talle, es utópico. Ante ello, se plantea, como una estimación gruesa y puesta hacia el límite inferior, el aplicar el salario mínimo de la región o el promedio nacional, dependi~n!o de si la carretera es local o troncal, al número promtdio de ocupantes por vehículo en circulación.
Con estos elementos podremos dimensionar preliminarmente la geometría de las alternativas, definir sus componentes y estimar sus principales costos. En el caso de túnel es particularmente importante la definición de las necesidades de equipamiento que pueJJan requerirse para cubrir eficientemente al servicio demandado.
Menos compleja es, por otra parte, la valuación de los costos de operación de los vehículos como función de la velocidad. Existen estudios y experimentos sobre la variación del consumo de combustible y desgaste general del vehículo a diversas velocidades de operación e, inclusive, a consecuencia de. las pendientes. La agregación de estos costos,_para cada alternativa, permite cuantificar los costos de operación del camino.
'
La selección de la alternativa más conveniente deberá ser el resultado del análisis comparativo tanto técnico como económico de las diversas soluciones planteadas.
2.
La comparación económica de diversas alternativas contempla la valuación de la inversión, los costos de mantenimiento y, como beneficios o ahorros que justificarán la inversión, la diferencia de los costos de operación entre las alternativas. La solución de túnel para un tramo carretero seguramente permitirá un acortamiento en la distancia, una mayor capacidad y en consecuencia, una mayor velocidad de operación, al evitar, muy probablemente, pendientes y curvas; esto significa meno'res costos de operación. Por otra parte, la inversión requerida para una alternativa con túnef será, en los más de Jos casos, mayor a la alternativa sin túnel; esto puede no ser cierto sólo si el acortamiento es muy significativo, en cuyo caso ningún análisis· económico es necesario. Los costos de mantenímiento tomarán en cuenta el consecuente del túnel que, en muchos casos, requerirá labores periódicas particulares, implicando además ventilación e iluminación.
CRITERIOS DE FACTIBILIDAD ECONOMICA
Considerando al número de vehículos que transitan por una en un período dado de tiempo, como elemento func damental eh la determinación de las características de la vía y en consecuencia de la inversión, es pertinente mencionar, en apoyo a los conceptos económicos, algunos aspectos rela'tivos a la capacidad de carreteras.
~carretera
La determinación de la capacidad de diseño de una carretera plantea un balance entre el volumen de tránsito aceptable en la vía y la inversión. La capacidad seleccionadá evidentemente aceptará volúmenes de tránsito superior en un cierto número de horas al año; ya que el construir una carr.etera con capacidad para cubrir la hora de máxima demanda al año; significaría un dispendio de recursos. La búsqueda de este balance conduce a la aplicación de criterios económicos para la toma de la mejor decisión posible.
De este modo es posible calcular la rentabilidad de la inversión marginal o adicional de una alternativa con túnel que deberá ser compensada con el ahorro neto en los costos de operación. La aplicación del método beneficio-costo o de la tasa interna de retorno al flujo de la diferencia de costos de operación (como ahorros o beneficios), deducidos ya los costos de mantenimiento, aceptará o rechazará la inversión.
Surge aquí la necesidad de considerar otro enfoque de la capacidad. Se define, para el propósito de esta exposición, a la capacidad económica como el.valor ,del volumen de tránsito en un período dado de tiempo que jú'stifica una inversión para incrementar la capacidad real del camino. Es obvio que existirán diferentes umbrales de tránsito e'n este sentido, dependiendo de la capacidad que se pretenda alcanzar en la siguiente etapa. Sin embargo, la selección previa qel siguiente nivel de operación del camino fijará, también con anticipación, el volumen de tránsito que justificará la inversión.
3.
CRITERIOS DE INGENIERIA DE TRANSITO
La Ingeniería de Tránsito es la herramienta con que se cuenta hoy en día para proyectar adecuadamente las características geométricas de una carretera que se tenga en estudio, a través de análisis sobre el volumen y composición del. tránsito esperado, así como de los niveles de servicio que se consideren adecuados Pélra que opere en forma satisfactoria durante su vida útil. ·
La justificación a las inversiones antes citadas, se busca a través de dos factores de la operación de la carretera, que aunque dependientes uno del otro, aportan diferentes elementos al análisis económico; estos son: velocidad de operación y tiempo de recorrido: El primero como determinante sobre el costo de oJ:1eración de los vehículos y el segundo incidiendo sobre el costo de horas/hombre para la economía.
Mediante el es.tudio del comportamiento de los tres elementos del tráfico: el usuario, el vehículo y el camino, la Ingeniería de Tránsito aporta datos que auxilian también a la definición de algunas de las características de las estructuras que se encuentran sobre el camino como es en este caso un túnel. '
Es pues claro, que el análisis económico de alternativas para un carretera deberá evaluar los factores antes dichos; esto sin embargo, presenta ciertos problemas. Cuantificar el valor de las horas/hombre perdidas es muy difícfl; el valor del tiempo de una persona varía en una amplia gama, en función de la actividad de cada una de ellas y del motivo del viaje. Aspirar a valuar el tiempo de los viajeros, siquiera a ci.erto de-
De acuerdo con lo anterior, en los siguientes péÚrafos se mencionarán algunos de los conceptos fundamentales de .los elementos de la Ingeniería d~ Tránsito que se tomarían en cuenta en el proyecto de un túnel, considerando la necesi~ dad de mantener en éste, cuando menos condiciones de operación similares a las que se tengan en otros tramos del camino.'
49
miento preventivo y restrictivo o semáforos, que advierten al conductor sobre la existencia pró~ima del túnel, con objeto de que regule la velocidad del vehículo a una magnitud acorde con las condiciones esperadas y esté en posibilidad de detenerse o de reducir su velocidad en una forma segura, cuando existan circunstancias especiales dentro del túnel tales como un vehículo estacionado por descompostura, carencia o insuficiencia de iluminación, inundación por deficiencia en el drenaje,etc.
3.1 El estudio. de la composición del tránsito actual y la realización de una estimación futura de ella,' considerando el volumen de tránsito que generará la obra al implementarse, permitirá determinar el vehículo de proyecto a utilizar, para ·definir algunas de las características geométricas de la obra, ·como son el ancho de los carriles y el espacio libr~ vertical. · 3.2 Mediante un estudio de capacidad y niveles de servicio .será posible definir la sección transversal adecuada que permita lograr una operación aceptable del volumen de tránsito futuro.
4.
CRITERIOS DE PROYECTO GEOMETRICO
En primera instancia, el problema básico en los túneles es poder determinar en qué medida las características geométricas recomendadas para las carreteras por superficie deben adoptarse o reducirse para su dimensionamiento, sin que esto tenga efectos desfavorables con respecto a la fluidez de la circulación y a su seguridad.
la capacidad de un camino es el número máximo de vehículos que pueden circular por é.l durante un período de tiempo determinado y bajo condiciones prevalecientes del camino y la operación del tránsito. Por lo tanto estará en Junción, principalmente, de la composición del tránsito, de los alineamientos horizontal y vertical del camino y del número y ancho de los carriles.
Dado que el túnel generalmente no es una obra· aislada sino que forma parte integrante de una carretera, los principios básicos que deben regir su geometría pueden resumirse en lo siguiente:
El término nivel de servicio nos señalará las condiciones de operac)ón que un conductor experimentará durante su viaje por la carretera, cuando los volúmenes de demanda estén por abajo de la capacidad y estar~ en función, básicamente, del volumen y composición del tráfico y de las velocidades que puedan alcanzarse en ese camino.
La capacidad del túnel debe compararse aceptablemente con la de la carretera al aire libre. Las limitaciones máximas de anchos de carril y pendiente deben ser congruentes entre ambos tramos.
De acuerdo con lo anterior, este estudio llevará como objetivo fundamental, el suministrar un nivel de servicio aceptable; proporcionando una capacidad del camino que sea mayor que el volumen de demanda e;perado.
Por lo que indiscutiblemente la geometría del túnel será función directa de las características del tráfico que circular á y del nivel de servicio que se pretende ofrecer: Sin ·embargo existen otras limitantes' ajenas al tráfico que en determinado momento pudieran obligar el dimensionamiento, tales como las características estructurales de la masa rocosa por atravesar o espacios requeridos para alojar duetos de ventilación.
3.3 Mediante la estimación del volumen de tránsito esperado, su composición vehicular y su variación estacional y a lo largo del día, se podrá contar con bases sólidas para obtener - los tipos y volúmenes de contaminación que se pueden presentar durante la vida útil del proyecto. Se podrán plantear alternativas de ventilación, que dependiendo de la magnitud de la obra, juegan un papel muy importante en la definición de las características geométricas principalmente en lo que refiere a la sección transversal, por la necesidad que se puede presentar para el acomodo de ducterías de aire o instalaciones auxiliares.
Sin embargo trataremos de señalar aquí solamente las limitaciones de cada elemento que constituye la geometría del 'túnel, en relación al tránsito. 4.1
Sección transversal Ancho de carril. Este ancho dentro del túnel deberá co· mo mínimo ser del mismo ancho que en la carretera al aire libre, pero no menor de 3.50 m para carretera tipo "Especial" y 3.25 m para los otros tipos de carretera. Número de carriles. No se deberá reducir en el túnel el número de carriles con que cuenta la carretera al aire ·libre.
3.4 Otro de los aspectos en los que la Ingeniería de Tránsito juega un papel importante es en el conocimiento de las. características del conductor, en lo que se refiere a sus reaccio·nes y sus limitaciones ante la. existencia de circunstancias especiales encontradas a lo largo del camino. En el caso particular de la existencia de un túnel, el conductor puede quedar ciego momentáneamente para los objetos insuficientemente iluminados a la entrada (de día) o la salida (de noche). Debido a ello, es importante que los elementos de iluminación de .los túneles estén estudiados teniendo muy presente no sólo la necesidad de que no se produzcan deslumbramientos, sino también la conveniencia de que los cambios de iluminación de los objetos que caen dentro del campo visual sean graduales, de acuerdo con las posibilidades del ojo humano.
Espacio libre vertical. Deberá quedar un espacio libre de cuando menos 50 cm sobre la altura de los vehículos que normalmente puedan transitar, con relación al techo del túnel, alumbrado, plafón o señal que se instale. Banquetas. Se define como banqueta la zona limitada por la orilla del pavimento y la pared. Su finalidad. es múltiple, como: permitir el paso al personal de mantenimiento, la salida de los pasajeros _que viajan en vehícu.los accidentados, protecciÓn de los dispositivos de equipo suspendido en la pared (alumbrado, séñalamien-
3.5 Relacionado con lo anterior, resulta conveniente disponer de dispositivos para el control del tránsito, tales como señala-
50
-. to, teléfonos, extingu'idC:Íre~. etc.). Este ancho varía como mínimo entre 1.00 m y 0.60 m. B.ombeo transversal. Con opjeto. de facilitar el ~scurri mientodel agua de filtración ó de iimpie~a ~obre la superficie del pavimento, se proporcionará. un bombeo .Úansversaf hacia las banqueté;lS . con una pe.ndiente mínima del2%. · · · ·.4.2
Alin.~~~iento ho~izontal localización.. Para evitar deslumbramientos indeseables, en la localización deberá cuidarse no ubicarcel tú" nel de tal manera-que la entrada o salida estén dirigidas· en determinado momento y estación determinada hacia el sol a poca altura s.obre e,l horizonte .. Trazo general. De ser posible, el túnel deberá ubicarse totalmente en' tangente horizontal, para evitar sobreanchos provocados por la ampliación de las curvas .. _.-. Curvatura. 'Siempre que ~~a posiblé, se ·observarán cuando menos _las mismas normas que· en la carretera a Cielo abierto para la velocidad de proyecto, principalm_e':lte en foque se refiere a grados máximos y aJas dis· tancias de visibilidad de parada. Intersecciones. los entronq~es deberán.estar situad6s lo más lejos posible de la entrada y salida del túnel, para evitar entrecruzamientos peligrosos.
4.3
Alineamiento, vertical · localización. De·ser posible el·túnef se locaJizará en una cresta del alirieamiehtovertical de la carretera, para propiciar el e,!icurrimiento del agua por gravedad hacia los portales; tanto en la etapa de construcción como enlaóperaC:ión.''' '• , .. ' ' · ' · , ...
~emli~nt~ longitudinal. El valor máximo.debe ser con. gruénte con el que permita mantener en el túnell_a c~pa c:idaq y _el nivel. de servicie;> de !a carretera a cielo abiel;to. la pendiente mínima será del 0.5% para garantizar el escurrimiento longitudinal del agua. En el caso de. túneles que. requieren ventilación artificial no debe rebasarse el 4% para evitar incrementos importantes en la producción de contaminantes de los vehículos usuarios. Curvas verticales. Deberán tener una longitud de curva apropiada a la velocidad de proyecto y a la distancia de visibilidad de parada. 5.
5' fn/s. la segunda forma puede diferenciarse en tres sistemas: longitudinal, semitransversal y transversal. En el sistema longitudinal el aire es movido á lo largo del túnel, el aire fresco penetra ·por un portal y sale el contaminado 'por el otro. En el interior se· colocan ventiladores o ·acéle: rádores que hacen circular la corriente de aire en forma controlada. Su campo de aplicación quedájimitado por el valor máximo que puede :~kanzar la velocidad del aire dentro del túnel, considerándose que ésta no debe exceder el valor de .10 m/s por razones de comodidad y seguridad. El nivel de contaminación crece de un valor mínimo en la ent.rada hasta un valor. máximo a la salida. .En el sistema semitransversal el aire fresco es movido a lo largo del túnel, el aire contaminado es recogido y expulsado por un dueto con rejillas que se-colocan a lo largo de la obra. los ventiladores pueden instalarse en el exterior. la velocidad longitu~ di,nal del aire en el.interior del túnel se reduce notable11;1ente al propiciarse la expulsión hacia ambos extremos. Puede adoptar~ se la misma velocidad: límite de 10 mis en el aire, lográndose entonc~s aumentar la longitud del túnel prácticamente al doble que en el sistema longitudinal. Se obtiene mayor control del nivel de contaminación especificado. En el sistema transversal.el aireJrescoes introducido al· túnel por medio de duetos con rejillas .separadas periódicamente. El -aire contaminado es recogido.y expulsado por otros duetos semejantes. que mueven.elaire en sentido-opuesto. los ventiladores pueden instalarse en .el exterior de la obra y requieren urÍ equipo,para la inyección y otro para la extracción. la velocidad longitudinal-del aire se reduce al mínimo, presentándose en cambio un movimiento transversal entre una rejilla del dueto de inyección y la correspondiente del dueto de extracción. El control del nivel de. contaminación especificado .e.s máximo. En el mismo orden en que se han descrito brevemente los sis~ temas de ventilación, várían sus costos de con·strucción y mantenimiento; así como la longitud de túnel recomendable para el uso de cada uno. la ventilación natural es la más economica pero en general sólo aplicable a túneles unidireccionales con bajos volúmenes de tránsito o bidireccionales cortos, siempre y cuando las quacterísticas metereológicas particulares sean favorables.
CRITERIOS DE VENTilACION
Como ventilación de un túnel carretero debemos entender aquí la serie de medidas que se deben tomar para garantizar que los contaminantes que se vierten en la atmósfera del túnel sean diluidos hast,;i un nivel tolerable por el cuerpo humano, de acuerdo a los tiempos de exposición a que estén sujetos los usuarios. BásiCamente existen dos formas de ventilación, la natural y la forzada o artificial. la primera se provoca en función exclusivamente del efecto de los vientos dominantes en la zona y de la diferencia de altura y temperatura entre los portales del túnel, formándose una corriente longitudinal de aire en el interior motivada por diferencia de presiones que varía en intensidad a lo lar.go del tiempo y no puede ser controlada. En condiciones favorables puede esperarse una velocidad del aire entre 2 y /
la ventilación longitudinal ha tenido un importante desarrollo en los últimos años, debido a su simplicidad y a su bajo costo de inver~ión inicial; además de ser el sistema que con mayor facilidad puede reforzar la ventilación en obras ya existeAtes. los túneles unidireccionales constituyen el más importante campo de aplicación, en donde aprovecha además el efecto de pistón producido por los vehículos que viajan en la misma dirección. los túneles bidireccionales casi siempre requieren de una ventilación reversible, debido~ al sentido alterno del tráfico; por Jo que este sistema sólo es aplicable para aquell~s casos en que ef sentido' del tráfico se diferencia claramente a lo largo del día. · · la ventilación transversal es definitivamente la de más alto costo inicial 'y de operación, sólo justificable para obras de
La Ingeniería de Tránsito debe reglamentar la circulación
gran longitud y COl"\ un tráfico muy importante, sea unidireccional o bidireccional.
v~hicular tanto en los accesos como en el interior.
El proyecto geométrico debe prever las facilidades para realizar eficientemente las labores de limpieza de piso y paredes del túnel, mantenimiento del equipo de iluminación y ventilación sin entorpécer la operación de la obra. f n casos particulares de gran longitud, deben establecerse zonas para refugio temporal de vehículos accidentados, y cuando además sean túneles unidireccionales separados, deben preverse galerías transversales de liga o intercomunicación entre ambos duetos a 'cé'tia 300 a 400 m para que en caso de incendio los vehículos puedan escapar por el otro túnel. En caso de túneles bidireccionales, éstas ligas pueden sustituirse con zonas ensanchadas para permitir la vuelta.
La ventilación semitransversal corresponde a la solución intermedia entre la longitudinal y la transversal, y puede aplicarse tanto para túneles unidireccionales como bidireccionales, siendo el concepto limitante la velocidad del aire dentro de la obra. 6.
CRITERIOS DE SEGURIDAD
.
·~
Las condiciones de circulación dentro de un túnel carretero presentan una serie de aspectos diferentes con relación a la circulación en la carretera al aire libre, unos son desfavorables y otros en cambio favorecen esta circulación. Las condiciones desfavorables por lo que se refiere a seguridad y comodidad del usuario pueden ser: menor iluminación, mayor opacidad, más ruido, sensación de estrechez, etc. Sin embargo los aspectos favorables son más significativos, tales como: estar más atento al penetrar al túnel, tener menores distrac;ciones por el medio ambiente, la velocidad permitida está más controlada, no existen cruces ni desviaciones y en general no se permite el paso a peatones y ciclistas.
Los proyectos de iluminación y ventilación deberán prever características en los materiales que garanticen resistencia mecánica de acuerdo al trabajo intenso a que va ha estar sometido el equipo, resistencia a la corrosión, al viento, al agua, etc. Además la distribución de circuitos se planteará de tal forma que una falla local no anule todo el sistema y en casos particulares de una obra muy larga, es conveniente que los diversos circuitos propuestos se conecten de ser posible a diferentes fuentes de abastecimiento de ene·rgía.
Sin embargo, la presencia de un accidente dentro de un túnel reviste mayores consecuencias que en la carretera que pueden provocar reacciones en cadena difíciles de prever y controlar. Por lo que es indispensable que en todo proyecto se contemplen las medidas de seguridad adecuadas, de acuerdo a la magnitud de cada obra én particular y sobre todo del volumen y tipo del tránsito esperado.
Además en ocasiones, debe complementarse con aparatos de control de la atmósfera, tales como analizadores de óxido de carbón y aparatos de control de opacidad, etc.
La clara concepción d'e todos estos elementos que inciden en la operación segura de una obra de este tipo nos permitirá realizar un análisis lo suficientemente aproximado, que proporcionará los elementos de juicio sólidamente evaluados pára la toma de decisión sobre la alternativa de solución más conveniente.
Estas normas de seguridad están estrechamente ligadas a las diversas actividades del proyecto y deben contemplarse desde su origen, principalmente en lo que respecta a la Ingeniería de Tránsito, al proyecto geométrico, a la iluminación y a la ventilación.
52
EXPLORACION Y MUESTREO PARA DEFINIR PARAMETROS DE DISE~O DE UN TUNEL CARRETERO
G. Botas Espinosa
1.
INTRODUCCION
de formaciones rocosas en su conjunto. En la figura 3 se muestra el perfil de t.,m piezómetro y en la tabla 1 se da una idea de los valores de la perme,abilidad medidos en depósitos de s'uelo. ·
Los túneles carreteros normalmente se planean desde un punto
de vista de ruta y ésta fija ef trazo y dirección correspondiente. Se hace por tanto indispensable en este caso, -estudiar un solo túnel o a lo más dos alternativas de _túneles; a menos que: la carretera vaya_por un túnel muy largo que permita estudiar varias alternativas desde el punto de vista geológico y geotécnico; en cuyo caso, con estos estudios iniciaremos la planeación del trazo o ruta definitiva {véase figura 1).
3.
E1 muestreo integral será el que nos proporcione información ·sobre fallas, juntas o grietas y especialmente sobre el material con el cual están rellenas. Este tipo de muestreo consiste en hacer un agujero de 2.5 cm de diámetro en el material que se desea muestrear, se introduce una varilla de acero en este orificio rellenándola con lechada de cemento; una vez fraguada, se hace una perforación con barril hueco qe mayor diámetro (mínimo NX) obteniéndose una muestra, en cuyo interior se encuentra la varilla que sirve de "ancla" a los deJ>Ó7 sitos sueltos én juntas o grietas. Este tipo de muestreo se presenta esquemáticamente en las figuras 4 y 5.
La definición del trazo en el anteproyecto de un camino está supeditada en gran parte a la topografía. 2.
MUESTREO DE MATERIALES Y PRUEBAS FISICAS
ESTUDIOS PREVIOS
Dentro de los estudios previos, ocupa un lugar predominante la Geofísica, cuyos datos nos darán idea de la compacidad y localización de las formaciones rocósas o depósitos de sueh Esta investigación previa permitirá planear mejor la investigación mediante sondeos y obtención de muestras tanto alteradas como inalteradas, inclus_ive en túneles de gran longitud, permitirá definir su elevación en base a los d~pósi tos más competentes encontrados en el sitio (véase figura 2).
Una vez iniciada la excavación del túnel podremos sacar muestras inalteradas .de sus paredes y del frente de excavación para probarlas en el laboratorio (ver Fig. 7); además, podremos hacer pruebas in situ para determinar sobre todo módulos de rigidez y de elasticidad (véase Fig. 6).
Los métodos geofísicos más comúnmente utilizados son el método geosísmico por refracción o por reflexión y el método geoeléctrico que en la actuaiidad se tienen mejor calibrados para determinar competencia de las rocas.
La prueba más comúnmente usada para esto es la prueba de placa determinando módulos de elasticidad estáticos con ctdos dP carga y des<'arga para (•liminar t>ft>dm
El método geoléctrico más usado en depósitos de suelo, también es.tá calibrado pa~a detectar características de compacidad. Una vez obtenido un perfil geofísico del trazo o alternativas de trazo se procederá a la investigación mediante muestreos de rocas o suelos. En el caso de rocas nos interesa su fracturamiento, alteración química o física, estudiar en forma exhaustiva las zonas de fallas geológicas que cruce el túnel, las juntas o contactos entre formaciones, ya que todos estos elementos tendrán una influencia primordial en el diseno del procedimiento de construcción.
Tabla 1 .. Permeabilidad de macizos rocosos
Menos de 1 X 1D-7
En general deberemos hacer una combinación de los estudios de estas discordancias geológicas en estrecha unión con estudios del agua subtérránea, tales como permeabilidad y piezometría; inclusive, el problema del agua aunado al de juntas fallas puede dar lugar a la realización de pruebas mediante pozos de bombeo para obtener la permeabilidad·
1
x
10-5 a 1 X 10-7
Baja, equivalente a la de los limos_
1
x
10·4 a 1 X 10·5
Media, equivalente a la de arena muy fina.
1
x
10-2 a 1
x
10·4
Más de 1 X 1Q-2
o
53
Muy baja, equivalente a la de la arcilla.
Alta, equivalente a la de la ¡uena. Muy alta, equivalente a la de la grava y la arena limpias. ·
de rigidez dinámico, midiendo una velocidad de onda transversal mediante geófonos especiales por medio del método geosísmico utilizando un martillo o una carga con dinamita en muy pequena cantidad.
Esta alteración tan grande se iniciaba en un lapso del orden de 5 días como máximo. Se analizaron en este caso los componentes de la riolita, obteniéndose que los feldespatos se convertían en arcilla blanca tipo montmorillonita, lo que provocaba expansión por saturación y agrietamiento inmediato de la roca.
El peso volumétrico natural y el peso volumétrico en estado seco son determinados en el laboratorio mediante pruebas estándar. Asimismo, las pruebas triaxiales efectuadas en muestras de suelo y de roca, nos servirán para determinar valores de y ~-
En el túnel, se colocaron marcos después del concreto lanzado y rastras en el piso, se aisló en lo posible a la roca del contacto con el agua mediante canalizaciones y drenes impermeables; sin embargo, la propia humedad del túnel provocaba la expansión de la arcilla.
e
Los parámetros del suelo más comunes que intervienen en las fórmulas de diseno son:
'Y
peso volumétrico natural
0
ángulo de fricción interna
E
módulo de elasticidad de roca o suelo
uR
=
e
4.
resistencia a la compresión simple en rocas cohesión determinada en prueba triaxial
51 52
Se trataron de labrar especímenes mediante muestreador con broca de carburo de tugsteno (ver figura 7). Se midió la presión de expansión de la roca en un consolidómetro, las presiones obtenidas resultaron muy heterogéneas en cuanto a magnitud, encontrándose especímenes con prácticamente cero expansividad y especímenes con una presión de 1 kg/cm 2
Las observaciones en el túnel coincidieron con estos resultados encontrando muy diversos grados de expansión, desde zonas sin alteración de roca hasta zonas con marcos muy deformados (veánse figuras 8 y 9).
velocidad de transmisión de onda longitudinal
=
velocidad de transmisión de onda transversal o cortante.
Pi
presión hidróstatica o piezométrica al nivel del túnel.
¡J.
relación de Poissón de los depósitos de suelo o formaciones rocosas.
En las zonas de mayor alteración de la roca el muestreo se hizo prácticamente imposible pues no fue posible obtener pedazos de roca o piedras en las cuales se pudiera labrar ningún especimen, ya que al tratar de hacerlo estos pedazos se deshacían. Las únicas pruebas in situ que lograron llevarse a cabo fueron mediciones de la velocidad de transmisión de ondas transversales, obteniendo de este modo los valores del módulo de elasticidad y mediciones del N.A.F. que en este caso se encontró a 90 m arriba de la clave del túnel.
EJEMPLO DE DISEf'IO, TRAMO 1Q-11 DEL EMISOR CENTRAL
Como un ejemplo de diseno me referiré al tramo de túnel entre lumbreras 1Q-11 del Emisor Central, el cual forma parte del Sistema de Drenaje Profundo, en donde hubo necesidad de excavar materiales expansivos.
Otro parámetro que se determinó en el laboratorio, fue el peso volumétrico natural que resultó de 1.7 ton/m3 en los especímenes de roca n_1ás compactos.
Durante el muestreo de roca se obtuvieron especímenes compactos de una riolita alterada color rosa grisáceo aparentemente competente. Por esta razón se decidió excavar el túnel con explosivos en sección de herradura de 8 m de altura y 8 m de gálibo horizontal. Se excavó el túnel sin mayores problemas mediante una plantilla de barrenación estándar y a sección completa; se encontraron pocas aportaciones de agua a lo largo del túnel. En algunas zonas se empezaron a observar bufamientos del piso teniendo que alinear la vía con una frecuencia mayor de lo normal. El problema se fue agudizando sobre todo en algunas zonas, preocupándonos por el agrietamiento que presentaba el concreto lanzado utilizado como ademe.
Para valuar la carga de roca o peso de la zona relajada de esfuerzos en la clave se utilizó la teoría de Protodyakonov. El factor F que inte.rviene en la fórmula, se obtuvo igual a 3, cuya clasificación según la tabla publicada en el libro "The Art of Tunneling" de K. Szechy (véase Tabla 11), corresponde a pizarras y esquistos o mármol denso. El resto de los parámetros se midieron tal como se ha mencionado; el nivel de agua freática medida por piezómetros, se consideró actuando en forma totalmente recuperada una vez que el túnel se revistió y quedó lo más impermeable posible. Además de las cargas normales de diseno, en este tramo, se dió como especificación una carga de 20 ton/m 2 provocada por la expansividad de la roca (10 ton/m 2 por un factor de seguridad de 2) actuando en la zona más desfavorable del túnel y con una longitud tal que provocara los mayores momentos y fuerzas cortantes al revestimiento. Esta especificación tan rígida se bajó después, disminuyendo un poco el factor de seguridad (de 2 se bajó a 1.5) para la carga adi-
Se tomaron muestras de roca para su ensaye en el laboratorio, las cuales se probaron a la compresión simple dando por resultado resistencias superiores a los 100 kg/cm2; sin embargo, al cabo de algún tiempo las piedras y especímenes al mantenerse saturadas, perdían totalmente su consistencia llegando a desintegrarse completamente; convirtiéndose en arena suelta.
54
' cional de roca provocada por la expansión. de la arcilla que contenía.
Tabla 11.
Peso volumétrico, resistencia a la compresión cas (K. Szechy)
Grado de Categoría resistencia Muy alta
11
111
lila
Hasta la fecha, se tienen reportes de un buen comportamien- · to del revestimiento definitivo en este tramo.
Muy alta
Alta
Alta
v factor de resistencii;!para distintas categorías de ro-
Naturaleza del suelo o roca
Factor Resistencia ·Peso volumétrico a la comp. de cont. kg/cmJ resistencia kg/m 3
Cuarcita densa, basalto y rocas sanas de muy alta resistencia.
2800 3000
2 000
20
Granito, rocas ígneas, calizas y algunas areniscas de éilta resistencia.
2600 2 700
1 500
15
Granitos y rocas ígneas, areniscas resistentes y calizas, conglomerados bien cementados.
2 500 2600
1 000
10
Calisas, granito poco alterado, · areniscas sanas, mármol y piritas
2 500
800
8
IV
Moderadamente Areniscas competentes fuerte
2400
6()0
6
IV a
Moderadamente Areniscas· estratificadas fuerte
.2 300
500
5
lutitas, areniscas y caliza de baja resistencia, conglomeradas mal cementadas.
2400 2800
400
4
Pizarras y esquistas. Mármol denso.
2 400 2600
300
3
Moderadamente Pizarras sueltas y calizas muy suaves, yeso, terrenos de deshielo, suelto mármol, areniscas en bloques, . gravas y boleos cementados.
2 200 2 600
200 150
2
Moderadamente Terrenos con gravas, pizarras en suelto bloques y fisurados, gravas y boleos compactos, arcillas duras.
2 200 2400
1.5
Arcillas densas, suelos arcillosos, arenas y gravas éon poca cementación.
2000 2 200
1.0
Gravas, loes, depósitos de arena suelta
1 800 2000
0.8
Sueltos con vegetación, arenas sueltas húmedas, húmos.
1 600 1 800
0.6
Suelos granulares
AJenas limpias, gravas finas, rellenos superficiales.
1 400 1600
0.5·
Suelos plásticos
Suelos limosos, loes modificadas y suelos en condiciones saturadas.
V
Va VI
Vla
VIl
VIl a VIII IX
X
Media
Media
Suelto
Suelto Sueltos.
55
1 0.3
. -·,-
...
1...
Fig. 1
·' 1
... 1 1 ....
levantamiento geológico
56
,_'"' ' .
"";.._
lNSTRUMENTACION ALAMBRE
SISMICA (POR REFRACCION)
DE . TIRO
INICIAL SISMDGRAFO
SUELO O SOBRECARGA CON VELOCIMD V 1
PROFUNDIDAD "d • A LA ROCA
/
CON ONDAS
VELOCIDAD·
Va
REFRACTADAS .
SISMOGRAMA . SdAL DE
DEL LA
.!
INSTAN TE EXPLOSION
1
r<..
..
'
·'. 2 ··, ll
·'
5 8 1
1\. ONDAS
LAS ONDAS TRAZOS DE CAPTADAS POR LOS GlroFONOS
4
'(
'
LINEAS
DE
TIEMPO
1/100 aeg. "ENTRE
GRAFICA TIEMPO- DISTANCIA
•1
~
20
DISTANCIA
AL
CAMBIO
DE
VELOCIDAD
18
12
§¡:
8 PROFUNDIDAD
• d •• :A LA
ROCA •
X
VI -VI
2
va+
7
DISTANCIA
VI
4 ll
2 DISTANCIA
Fig. 2
A
LA
4 CARGA.
5 EXPLOSIVA
8
ENTRE
GEOFONOS
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Localización de distintas formaciones de suelos o rocas por el método geosísmico
57
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SELLO
F 1L TRO DE MATERIAL GRANULADO N-115.0
~N-125.0
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Fig. 3
Piezómetro
58
NA 20
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RELLENO DE LECHADA DE CEMENTO
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Fig. 4
Sondeo integral. Prime.ra y segunda etapa ·
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Fig. 5
Tercera etapa del sondeo integral
59
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32
RESISTENCIA A LA COMPRESION
SIMPLE
Clasificación de las rocas inalteradas según U. Deere y otros.
60
64
LIBRAS POR PULGADA
CUADRADl ( 103)
Fig. 6
1
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64
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Fig. 7
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Muestreador con broca de carburo dé tugsteno
8
Deformaciones presentadas en marcos tipo herradura
deformaci6n de Id· columna del marco apoyo de la tornapunta.
detaúe de colocaciÓn de concreto lanzado 1° y 2° ..etapa
Fig. 9
Colocación. del concreto lanzado y deformación del marco. en el apoyo de la tornapunta,
61
EXCAVACION Y ADEMES
E.J. Flores Sánchez
1.
licos y retaque de madera o bien empleando el concreto lanzado. La finalidad del ademe "temporal~' es garantizar la estabilidad del túnel desde el momento de la excavación hasta el colado del revestimiento definitivo, si este es necesario.
INTRODUCCION
Conocido el proyecto, definido el trazo del túnel y dependiendo de su función; carretero, para conducción de aguas, metro, etc., se efectuarán los estudios geológicos como primera etapa; elegido el trazo más conveniente, se localizan claramente los portales de entrada y salida del túnel, así como de las lumbreras necesarias para bajar el equipo que se requiera y efectuar el proceso de manteo de los materiales.
Este último paso "ademado'' completa el ciclo de avance entre barrenación, voladura, rezaga y ademe. Los ademes se pueden dividir en dos grupos:
Toda esta documentación deberá ser estudiada y analizada, perfectamente; tanto la geomorfología superficial que nos da en algunos casos índices de posibles problemas durante el proceso de excavación; como la fiseografía y la geología que nos darán una visión más amplia sobre los procedimientos generales que pueden ser empleados en la excavación del túnel.
b)
"Secundarios o Definitivos" son con los cuales se da un acabado o una protección final a la excavación.
Es importante hacer mención cómo la construcción de un túnel no sólo cambia las condiciones de esfuerzo sino también en algunos casos las condiciones de la roca misma ocasionadas por las explosiones que comúnmente fracturan y reducen la resistencia de la roca alterada del túnel, es decir, que si queremos lograr un equilibrio es necesario diseñar un sistema de soporte en el que se consideren como factores importantes el tiempo, el procedimiento de excavación, la forma de colocación del ademe, así como sus características de deformación.
PROCEDIMIENTO DE EXCAVACION
Para poder elegir un procedimiento para la excavación de lumbreras y túneles, es 'necesario estudiar la selección del equipo, de acuerdo a la magnitud de la obra y a las condi-. ciones del terreno, para que de acuerdo a ello se defina el proyecto de construcción más adecuado que sea consistente con la cantidad de obra por realizar, así como con el tiempo fijado en el programa, garantizando en todo lo posible la terminación de la obra en el tiempo previsto.
Los ademes son elemeotos que forfl1an el sistema de soporte que reacciona confra la roca que lo rodea, produciendo una presión interior que los estabiliza. En términos generales, se puede decir que, dependiendo de las características de la roca y del túnel a excavar se puede decidir si el ademe es a base de marcos metálicos o una combinación con concreto lanzado; aunque en túneles de gran sección transversal se puede utilizar ademe de madera, es recomendable utilizar marcos. metálicos, debido a su facilidad en su colocación. Es conveniente que los marcos metálicos a emplear sean versátiles en su colocación y en su empleo, esto es con la finalidad de poder usarlos en cualquier tipo de procedimiento constructivo.
Dado lo heterogéneo del material por encontrar que puede ser desde roca sólida hasta suelos limosos, arcillosos o arena suelta, obligarán a que las características de las operaciones durante el proceso de tuneleo varíe.
2.1
"Primarios o Provisionales", son aquellos cuya función principal es mantener la estabilidad de la excavac1on durante la construcción.
Si en un medio rocoso se excava una obra subterránea, como puede ser un túnel, este hecho provoca un cierto estado de esfuerzos distinto al que inicialmente tenía, por lo tanto, es necesario efectuar estudios para calcular los nuevos esfuerzos inducidos, los cuales estarán en función del procedimiento de excavación de las diferentes etapas de construcción y, principalmente del tipo de terreno.
Con mayor detalle se deberá contar con la información obtenida en los estudios previos de mecánica de suelos si es que el túnel cruza por depósitos de suelos o bien los estudios y espesores de mecánica de rocas si el túnel atraviesa por formaciones rocosas. De cualquier forma se deberá contar con ·un perfil de suelos detallado a lo largo del eje del túnel que contenga información sobre la estratigrafía, resistencia y tipo de material en por Jo menos dos diámetros arriba de la clave y un diámetro por debajo del túnel. 2.
a)
Ademado
Efectuada la excavación y retirada la rezaga, se efectúa el ademado del frente mediante la colocación de marcos metá-
62
Al colocar el marco es necesario acunarlo con madera, con objeto de lograr que las cargas de la roca se transmitan como concentraciones en la estructura de soporte, conocidas estas cargas es posible hacer el análisis del marco por cualquiera de los procedimientos de resistencia de materiales mediante el uso de las teorías de elasticidad y plasticid"ad. 3. 3.1 les a) b) e) d)
calidad por las dificultades en su control de calidad y por el aumento del rebote, el cual depende en gran medida de la habilidad del lanzador, de la cantidad de agua, ya que se depende como se ha comentado, de personal especializado, lo cual no ocurre en el caso de los ademes metálicos. Ademe de marcos metálicos y concreto lanzado. Este tipo de aderries .se usa normalmente cuando no existen problemas de aportaciones de agua importantes o simplem'ente no existe. el terreno pudiera ser arenoso pero compacto, el cual al intemperisarse se vuelve deleznable al perder humedad, lo que provoca desconchamientos en el terreno; el uso del concreto lanzado en espesores de no más de 10 cm soluciona este problema. Otro uso que tiene es el de funcionar como bóveda, transmitiendo los empujes del terreno a los marcos metálicos (ver Fig. 2).
PRINCIPALES TIPOS DE ADEME los principales tipos de ademe primarios o provisiona-
qu~ se emplean son:
Marcos metálicos y retaque de madera. Concreto lanzado. Marcos metálicos y concreto lanzado. Caso especial con anclas.
los .marcos· metálicos y el retaque de madera. Se emplea principalmente en las excavaciones en que no existe problema en el terreno y la separación de ellos o cuando se usa concreto lanzado, normalmente se define en el proyecto; sin embargo la decisión final para el l,lSO de. los mismos se define en el campo, . ya que las condiciones de la roca como del agua son muy va~ riables, es por eso que la presencia o no del agua define el uso de los marcos metálicos o del concreto lanzado (ver. Fig. 1).
Ademe de concreto lanzado. Este se usa principalmente cuando los terrenos son bastante cementados con problemas· de intemperismo, pero que son prácticamente autoportantes, por lo que los espesores de concreto lanzado son del orden de 10 a 15 cm de espesor, solucionando eficientemente éste el uso como ademe temporal, por lo tanto elimina el uso del ' ~deme metálico.
Ademe de concreto lanzado. Se usa principalmente para proteger el terreno del intemperismo dependiendo mucho su
3.2 Anclas las anclas se emplean casi exclusivamente en las excavaciones en donde existan rocas relativamente sanas; para su
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MARCO
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H-6"
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Fig. 1
1 1 1 1
Deformaciones presentadas en marcos tipo herradura.
63
DETALLE "A"
detalle
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de co1ocacton de concreto lanzado etapa
H-6" deformación de la columna del marco en el apoyo de la tornapunta.
tornapunta
H6"
Fig. 2 Colocación del concreto lanzado y deformación del marco en el apoyo de la tornapunta
64
cálculo se determinan los mecanismos de falla de la roca y se calcula el número y la capacidad de las anclas para evitarlo. · ·
frente empleando explosivOs y como ademe se empleó concreto lanzado de un espesor de ::¡:: 10 cm. En este ademe se presentaron agrietamientos y en algunos casos desconchamientas, principalmente en la zona de clave y laterales y en mayor grado el deterioro de la vía del túnel, ya que había que estarse alineando y nivelando continuamente debido al proceso expansivo·de la roca.
El principio general del anclaje de las ro.cas es hacer que éstas formen parte de la estructura del soporte, es decir, que se autosoporte a excepción de cuando las anclas soportan fragmentos sueltos de roca.
la roca al ser expansiva, requirió la necesidad de colar una plantilla de concreto que serviría inicialmente como aislamiento entre el agua y la roca.
Para que las anclas funcionen se deberán colocar inmediatamente después de efectuada la excavación. Existen diferentes tipos de anclas que son:. a)
b)
Posteriormente esta plantilla sirvió como base para armar con limpieza la cubeta o apoyar correctamente la cimbra.
Anclas con dispositivo de anclaje. en un extremo y en el otro un dispositivo rígido que permite mantener una tensión suficiente, produciendo un esfuerzo de compresión en la roca a base de placa o tuerca. ·
Conforme se fue avanzando se fueron detectando deformaciones en piso y laterales de la excavación, provocadas por el empuje del terreno debido al intemperismo de la roca. Para esto fue necesario colocar tornapuntas en el piso de la excavación abajo de la línea."B~'. para evitar el cierre de los marcos, los cuales fueron insuficientes para detener el proceso ·· expansivo de la roca.
Anclas que se encuentran alojadas en barrenos previos cementados e inyectados, cuyo anclaje depende de la resistencia que se genera entre las paredes del barreno, el mortero y el ancla.
las anclas son usadas generalmente en las patas de los marcos metálicos para darle mayor capacidad, evitando con ello el pateo del marco causado por el efecto del empuje lateral del terreno.
4.2
Otro empleo que tienen es en el concreto lanzado como anclas del mismo, proporcionan un anclaje del concreto lanzado al terreno, y mejorando las condiciones mecánicas del terreno.
Este ademe a base de concreto lanzado tenía como finalidad · · principal la de evitar el flujo del agua y por consiguiente, el intemperismo de la roca al no permitir la degradación de la roca como ya se mencionó y .transformarla en arena.
El uso de anclas generalmente se restringe debido principalmente a los cambios tan importantes que sufre el terreno o la roca y que obligan a cambios en los sistemas de anclaje en la separación y orientación de las anclas, todo lo cual repercute en los costos.
4.3
PROCEDIMIENTO DE EXCAVACION EMPLEADO EN El TRAMO DE LUMBRERA 10 A LUMBRERA 11 DEL EMISOR CENTRAL
El efecto del agua sobre la roca había obligado a revestir los drenes laterales que servían para canalizar el agua y al colar una plantilla ésta, serviría como diafragma horizontal para meJorar .la capacidad de los marcos baJO el empuJe lateral (coceo); asimismo, evitaba que el agua estuviera todo el tiempo en contacto con la roca, minimizando el intemperismo de la misma para impedir el efecto de bufamiento de la plantilla de la excavación y por consiguiente, d~ la plantilla de concreto, adicionalmente fue necesario colocar tornapuntas en fo~ma de arco (cóncavas) que mejoraría notablemente el trabajo estructural, tanto de las tornapuntas como de las patas de los marcos metálicos. ·
Un ejemplo de lo anteriormente descrito fueron los problemas que se presentaron durante el proceso de excavación del tramo l-10 a l-11 E.C., en donde debido a las características del terreno y a la presencia del agua, se tuvo que recurrir al empleo de diferentes procedimientos para poder efectuar la excavación. 4.1
Solución final
Debido a que el ademe a base de concreto lanzado no tenía la capacidad estructural para absorber los empujes del terreno, lo cual era evidente al presentarse agrietamientos y desconchamientos del concreto lanzado, la solución final consistió en darle la forma de bóveda cóncava hacia el interior del túnel, de tal manera que funcionara exclusivamente bajo esfuerzos de compresión y cortante, transmitiendo las cargas a los marcos, los cuales sí tenían capacidad a la flexión.
Por otro lado, es conveniente efectuar pruebas de la capacidad de cada una de ellas, por lo que se requiere un control estricto de las capacidades de carga del terreno o de la roca en cuestión.
4.
Segundo procedimiento
Para estabilizar los empujes se requirió del uso del ademe metálico, mediante el uso de marcos de 11-8" y retaque de madera y sobre este sistema de ademe se lanzó concreto; sin embargo, se siguieron presentando agrietamientos y desconchamientos en l¡¡s zonas comprendidas entr.e los marcos metálicos. ·
Primer procedimiento
Debido a las características del terreno que era roca de tipo Riolítica y a la presencia relativa del agua, se adoptó como procedimiento para la excavación, la de ¡¡tacar totalmente el
65
AlGUNOS ASPECTOS SOBRE lA FACTIBILIDAD, DISEI'íO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEl CARRETERO EN El ESTADO DE CHIAPAS, REPUBLICA MEXICANA
M. Pérez Conzález A. Bello Maldonado C. Salinas Falejo
RESUMEN La Orografía de México es, salvo algunas regiones bien definidas, de tipo montanoso. Esto ayuda a que sea postergada para muchas regiones el satisfactor comunicación terrestre. Los trazos carreteros que salvan grandes prominencias, contemplan una solución casi generalizada a base de largos desarrollos por superficie y por otra parte son muy escasos los ejemplos de túneles carreteros. Es indudable que la solución a base de túneles presenta dificultades que le son inherentes desde el punto de vista técnico y abarcan diversos campos como son el geológico, de mecánica de rocas, de ventilación, de iluminación, de equipo y procesos constructivos, etc. Si a lo anterior sumamos la necesidad de cumplir restricciones económicas, se comprenderá el marco general que ha impedido un mayor uso de la solución tunelera. En este trabajo se presentan las condiciones bajo las cuales en el caso específico de un camino de acceso a la planta Hidroeléctrica de Chicoasén, en el Estado de Chiapas, México, se prefirió la solución túnel, lo que permitió reducir la longitud total de 40 km considerados inicialmente, a 25 km.. Este acortamiento traducido a ahorro en los costos de transporte de materiales, permitirá algo más que la amortización de la inversión realizada en el camino. En el túnel en cuestión, de 0.9 km de largo, las dificultades topográficas no permitieron la exploración exhaustiva de la masa'caliza por cruzar. El diseno anticipaba la presencia de zonas calizas masivamente intemperizadas, zonas de contacto con lutitas y carsticidades; así, en el proyecto se especificó un ademe definitivo a base de concreto lanzado. En la construcción los problemas apuntados fueron mínimos y fue suficiente un ademe permamente mediante barras de anclaje. En cuanto a ventilación (el túnel contempla circulación en ambos sentidos, con un alto porcentaje de vehículos movidos por diesel), el diseno no proveyó la instalación de sistemas especiales pues se creaba una ventilación natural adecuada, a la vista de las diferencias de temperatura y presión en los portales. Esta hipótesis ha sido comprobada en la operación del túnel. las experiencias obtenidas de este caso y otros, permiten concluir: 1.
El estado de avance actual de diversas técnicas aplicadas incluida la Ingeniería Económica, debe permitir el contemplar la alternativa a base de túnel, tan digna de ser estudiada como otras soluciones tradicionalmente aceptadas.
2.
Es obvio que el diseno, el equipo y el proceso constructivo de un túnel deben estar regidos por el tipo de material por excavar, así como por el tamano intrínseco de la obra. las labores de proyecto, construcción, instrumentación y supervisión deben guardar entre sí una relación tal que permita la correcta, oportuna y económica toma de decisiones en cualquier fase del trabajo. El camino San Fernando-Chicoasén, se construyó con el fin de dar acceso al sitio donde se ubicará la cortina del proyec- · to hidroeléctrico Chicoasén en el Estado de Chiapas, México, que construye la Comisión Federal de Electricidad.
DESCRIPCION DEL TU N El DE LA CARRETERA SAN FERNANDO-CHICOASEN
l. 1.
PROYECTO Y CONSTRUCCION DE CARRETERAS Esta vía servirá básicamente para el transporte del material arcilloso que, con volumen de 1 345 000 m3, formará parte de la cortina; igualmente por dicho camino se hará llegar . personal, otros materiales, maquinaria de construcción y el equipo hidroeléctrico.
INTRODUCCJON
66
las diversas alternativas de ruta planteadas consideraron siempre el transporte de la arcilla y, en su caso, la utilización de brechas existentes hasta puntos cercanos al sitio. Dichas alternativas hacían optar entre vías por superficie con desarrollo de 40 km o una que midiendo 25 km, requería cruzar en túnel un macizo montanoso.
En caso de haberse eliminado a priori la alternativa en túnel, se habrían erogado algunos millones de pesos de más y la comodidad y tiempo de recorrido habrían resultado desfavorables a los usuarios.
la determinación de los elementos geométricos, operativos y de costo de construcción que, de acuerdo a estudios preliminares, caracterizaron a lás alternativas propuestas, permitió un análisis comparativo que finalmente favoreció a la ruta que además de ser totalmente nueva, incluía un túnel con longitud de 894.35 m.
2.
En su diseno se atendió a los aspectos de estabilidad, proceso de construcción, ventilación en su fase operativa, iluminación y drenaje. Adicionalmente se formularon especificaciones de calidad de materiales, de su control y·tolerancias geométricas y un programa de instrumentación durante la excavación.
En la Tabla 1 se muestran las prin~ipales características de las dos rutas alternas que fueron comparadas en última instancia; ambas son presentadas en la Fig. 1.
Tabla l.
.A
DISEfi;IO DEL TUNEL
Comparación de rutas
Alternativas
Csometría
Superficie 40.2 Km 11.0m 8.0m 42° 7 734° 10.0%
longitud total Ancho de corona Ancho de carpeta Grado de curvatura máximo Suma de deflexiones 6. Pendiente máxima
1. 2. 3. 4. 5.
Con túnel 25.4 Km 11.0 m 8.0m 30° 4028° 8.0%
1
1
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B.
Operación 1. Velocidad máxima de proyecto 2. Velocidad de proyecto promedio 3. Tiempo de recorrido
c.
70 km/h
75 km/h
45 km/h 54 min
55 km/h 28min ··~
Costos 1. ¡;>e construcción, incluyendo afectaciones 2. Acarreo de arcilla 3. Suma de construcción y acarreo
i
67
36.7 millones 117.9 millones
48.6 millones 77.0 millones
154.6 millones
125.6 millones
SlMBOLOS CAMINO PAVIMENTADO----====! CAMINO TERRACERIA--CAMINO EN PROV. ALTERN. CON T\JNEI=CAMINO EN PROV. ALTERN. SIN TIINEL-
-··-··-·-l..
-··--··-11
BANCO DE ARCILLA----BANCO tE G R A V A - - - - TUNEL EN PROYECTO-----
Fig. 1
localización de las dos alternativas para el proyecto de la carretera Sn. Fernando Chicoasén nal, que con una falla longitudinal-por su cresta, dió origen a la Canada Muniz, de manera que el túnel atravesaría una porción de un anticlinal formado en calizas y margas estratificadas que siguen la configuración de la prominencia escar·pada del lado noreste de la Cañada Muniz y en ésta, quedan expuestas en una altura libre de 500 m con sus planos de estratificación sensiblemente horizontales. En la figura 3 se muestra esquemáticamente la formación geológica a lo largo del eje del túnel.
los párrafos siguientes refieren a grandes rasgos, los lineamientos que se siguieron en los tres primeros aspectos. 2.1 2.1.1
Estabilidad Geología general de la zona
la fisiografía montañosa muy escarpada de la región, se originó a causa de plegamientos de la corteza terrestre que dieron lugar a la formación de sinclinales y anticlinales cuyos ejes tienen una dirección noroeste-sureste; además se ha establecido la existencia de importantes fallas geológicas, sensiblemente paralelas a los ejes de los sinclinales; una de estas fallas dió origen a la Canada Muniz donde, en su paramento noreste, se localizará el túnel en estudio. la fisiografía general acusa, de manera muy importante, los rasgos del canón formado por el Río Grijalva que cruza la Canada Muñiz al sureste del sitio donde se ubicará el túnel (como se muestra en la Fig. 2).
localización preliminar de los portales de entrada y salida El paramento expuesto en la falla de la Canada Muniz, que es casi vertical, permitió observar la existencia de rocas calizas estratificadas, que en este cantil aparecen con sus estratos en posición prácticamente horizontal. encontrándose sin embargo algunas fallas y deformaciones locales, y casi en general, depósitos al pie del cantil como vestigios de fallas ocurridas en el paramento formado por la falla. Sobre esta. parte se buscó la ubicación del túnel en una zona con escasos depósitos al pie del cantil y ausencia de fuertes deformaciones en la estratificación visible de la masa rocosa, ya que ambos son índices de una estabilidad mayor a la que han tenido todas las zonas de la Canada Muniz en las posibles ubicaciones para el túnel. Cualquier localización del túnel en una posición más al Este de la definida en campo, implicaría
2.1.2
las rocas que se encuentran superficialmente, se clasifican como calizas nacaradas y margas de la formación Angostura, lutitas areniscas y conglomerados estratificados con capas de caliza. la zona donde se excavaría el túnel, de acuerdo con los aspectos geológicos observables, es el remanente de un anticli-
68
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MBOLOGIA
@Cenizas arenosas, conglomeradas y .arenisco~ interestratificodas. . . I]]Jconglon:'erodos, areniscos ~ algunas. copas de ~~~.
. (]J] Lutitas (EE]Cofizos
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con algunas copos delgados de calizo nacarados y morgas ( i=: Angostura)
JKsm lcalizos grís obscuro y dolomitas (F. Sierro Madre) ·
ESC . I:IOO,OOO;Eiev. en metros. . . . . Tomado d.e planos elaborpdos por .la oficina. de Estudios Civiles de la C. F .E.
Fig. 2 loc~lizaciÓn de distintas fallas ce~canas a la zona del t.únel Muniz
69
Calizo• ·dolomilicaa
8~000
9~000
10~000
Lulotas
a lizos arcilloso\ 1
1 1 1
\,.-==:....:;:::=
*"*
t ...
m.s.n.m.
*:-Tomado del plano "Levantamiento
geolÓgico del sumidero Chiapas. C.F. E."
,..,. .- Deducido de lo fotogeología general y de las observaciones de campo
Fig. 3
Esquema de la formación geológica a lo largo del túnel las ubicaciones tentativas pa!a la entrada y salida del túnel, buscaron la compatibilidad .entre las. elevaciones de las terracerías del camino y los aspectos geológicos. descritos.
la remocron de fuertes volúmenes de depósitos al pie del cantil para formar el emportalamiento del túnel y en algunos sitios, la presencia de fallas y fuertes deformaciones en los estratos de las calizas permitieron concluir que no eran sitios adecuados para ubicar el túneL,Además, por la topografía de esta zona y las pendientes necesarias en el camino, se consideró muy remota la posibilidad de lograr una ubiéadón satisfactoria en una posición más al Este de la definida e~ campo sobre esta cara del macizo rocoso que se atravesada con el túneL
En el portal de entrada sobre la CanadaMuñiz la roca se identificó como lutita calcárea de color café claro; los estratos horizontales de la roca presentan espesores de 20 a 40 cm. En el portal de salida se apreciaron partes masivas de la caliza de color café claro, presentando partes blancas y algunas iluviaciones fuertes de carbonatos; se observan los estratos paralelos a la topografía, con espesores de 10 a 300 cm, siendo más frecuentes entre 20 y 40 cm.
En la ladera Norte, que constituye el descenso del anticlinal, se pudieron observar algunas aparentes fallas con dirección sensiblemente perpendicular a la protuberancia rocosa en todo el tramo desde el Río Grijalva hasta la zona más alta en que era posible ubicar el túnel. Teniendo en cuenta la elevación de anteproyecto del túnel en esta zona y la ubicación tentativa de la entrada por el lado de la Cañada Muniz, se buscó en esta ladera un sitio alejado de las aparentes fallas geológicas perpendiculares a la Cañada, lográndose situar la salida del túnel en una roca caliza masiva que presenta características favorables desde el punto de vista de su comportamiento mecánico y además, el sitio definido presentaba una pared casi vertical que facilitaría la formación del portal de salida en este lugar. Aproximadamente a 50 m al Este de la ubicación mencionada, se inicia una franja de 200 a 300m de ancho, en la que aparentemente, en la pendiente qUe va del anticlinal al sinclinal Osumacinta, se produjo un deslizamiento de los estratos más superficiales de la caliza estratificada.
2.1.3 Determinación de las propiedades de la roca La determinación de las propiedades de la roca se efectuo con carácter normativo y con el propósito de obtener un orden de magnitud de dichas propiedades, mediante el ensaye de probetas labradas de muestras colectadas en los paramentos donde se formarían los portales. Las muestras secolectaron a 50 cm de la parte expuesta del paramento rocoso, de ellas se labraron especímenes cilíndricos de 5.5 cm de diámetro e igual altura, las cuales se sometieron a pruebas de comprensión y tensocompresión, para determinar indirectamente sus características de resistencia al esfuerzo cortante; con dichas probetas se determinó también su peso volumétrico en estado seco y en estado saturado, en este último se realizaron las pruebas antes mencionadas. Se obtuvo también la densidad de sólidos para juzgar el grado de saturación del material en estado natural.
70
R~sultad~- de pru~ba~ de comp~~siÓn ..sim.pl~ ~ tér{s~compresión,
Tabla 11. - -· ---·--- f---Pe_s_o
en estado saturado, efectuadas en el laboratorio ----T··-. ,.
¡
volumétrico volumétrico · natural i saturado 1 · tonfm3 ¡ tontm3 ¡
Muestra
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Frente de entrada
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Gravedad espetífica
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1
2.87 2.80 2.67
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2.70 2.77 . 2.76
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2.07 2.14 2.10
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miento y la superficie excavada, los cuales podrían afloj_arse ~ causa de las explotaciones .~ubsecuE!ntes _en la excavación y, sin representar inconvenientes para. la estab-ilidad general, significaban un inconveniente serio en Jo que respecta a la seguridad del personal ocupado en la obra. Para complementar el trabajo de las anclas antes descrito, pero sobre todo para prevenir los efect()S. de intemperización en la superficie de la roca expuesta por la excavación, se dispuso. una capa de concreto lanzado (shotcrete), comprendiendo la clave y los in uros de la ·excavación del túnel:
los valore!¡ de las propiedades de resistencia al ésfuerzo cortante: cohesión y ángulo de friccic)n interna, deducidos con esta consideración sobre la presencia de .fisuras, fueron los que se emplearon en el cálculo del patrón de anclaje que formó parte del sistema de soporte provisional disenado.
la distribución de.las anclas en la excavación, así como su diámetro, longitud v disposición con respecto a la superficie excavada, se determinaron empleandq las propiedades de la roca obtenidas en el laboratorio y el método de diseno establecido PQr V.M. Roguinsky, ·ajustándolo para tomar en cuenta le geometría de la excavación y los resultados de mediciones que han sido realizadas con el propósito de refinar· las hipótesis empleadas en este método de diseno. (Ref. 1 y 2) las presiones generadas a causa del aflojamiento producido por la excavación, sin considerar ningún efecto de expansibilidad, se calcularon utilizando en forma comparativa, los métodos de Terzaghi y Protodyakonov.
Sistema de ademe
las dimensiones y forma ~e la sección· transversal, consideraron los requerimientos operativos del camino así como la disposición de la estratificación de la roca y los resultados obtenidos en el laboratorio. las resistencias relativamente altas de la roca, obtenidas de los ensayes preliminares de' laboratorio, confirmaron la impresión de que tanto el sistema de soporte durante la excavación, como el definitivo durante la operación del túnel, podrían consistir de un anclaje para uniformizar el comportamiento de la masa rocosa y mejorar así sus condiciones de autosoporte;. a l.a v~z. este anclaje impedida la dislocación de Jos E!stratos de roca ye(desprendimiento.de trozos limitádps entre los planos de estratificación, los sistemas de ·fisura-
•.
'
En la T~bla JI se consignan los resultados de las pruebas de laboratorio efectuadas, que además, se presentan gráficamen~ te en la figura 4, donde se indica la envolvente de falla que, mediante la aplicación de una hipótesis conservadora, puede establecerse para la masa rocosa en función de la resistencia de los fragmentos ensayados. Esta hipótesis toma en consideración la presencia de los planos de estratificación y fisuramiento observados en la masa rocosa, én Jos cuales no existe resistencia a la tensión.
2.1.4
Resistencia a la tenso-compresión · kg/cm2
1
Frente de salida 1
Resistencia a la compresión simple kg/cm2
'
1
4 5 6
;~~--o--"'":---·--·--·---~---------------......,..--.-----------~
l_
71
El patrón de anclaje obtenido y la geometría de Ja·Sección Transversal se muestran en la figura 5. Para obtener un funcionamiento eficiente de las anclas, sin dificultar innecesariamente las maniobras de su colocación, éstas deben colocarse en _planos radiales trazados desde el centro de curyaturá de, la excavación y aproximadamente perpendiculares a la direc. ciÓÍ'l dé Jós pla'nos dé esti'atificáción dé Ja -roca.; en el caso de que se informa; se limitó la inclinación de las anclas a no
Esfuerzo tangencial (~cm')
200
8
01)
..
o
o·
o
o
...
Esfuerzo normal 2 (ir:tfcm )
Análisis preliminar de la roca Muestras superficiales en los paredes de los porto les, ensayados en el laboratorio.
Fig. 4
Gráficas de esfuerzo normal y tangencia obtenidos en pruebas de laboratorio
Llla:A
"8" 764
1 950 -----------~
NOTA!ACOl'ACIONP EH CEHl'llllfl'IIOS
Fig. 5
Croquis de la sección transversal del túnel y patrón de anclaje
72
más de 60° con el eje del túnel, con lo que se obtendría un trabajo eficienté del anclaje sin complicar en exceso las ma" niobras para su colocación.
3~
PROCESO DE CONSTRUCCION
A título de resumen, se presentan enseguida los procesos que fueron recomendados para las diversas fases constructivas.
En las partes cercanas a los portales, donde las presiones ejercidas por la roca son mayores que en el cuerpo general del túnel, se proyectó un ademe exterior a base de concreto reforzado, capaz de soportar las presiones inducidas por el peso de la· roca, Fig. 6. El diseno de este ademe se realizó considerando de manera aproximada, la interacción entre las deformaCiones de la masa rocosa y las producidas en la estructura de ademe colocada; sin embargo, ·como las características de deformabilidad de la roca no fueron determinadas de manera específica, se planteó un diseno aproximado y se intentó mantenerlo dentro de /a seguridad y con economía razonable .
3.1 Portales Formar con terracería sendas plataformas para atacar simultáneamente 'por ambos portales. · · Con las inclinaciones de talud previamente establecidas, cortar la roca, anclando según el patrón previsto, para evitar deslizamientos de estratos y retirando los fragmentos inestables. Iniciar la excavación deftúnel y tan pronto se anticipara que las operaciones explosivas no los danarían, construir los soportes de concreto ,refor1;ado especificados, colándolos por etapas a la menor distancia posible del frente de excavación.
Para prever la necesidad de colocar soportes especiales en aquellas zonas del túnel.en que, debido a un fisuramiento más acentuado, a una alteración hidrogenética o mecánica, se encontraron zonas de baja resistencia en el cuerpo de roca atravesada, se disenaron arcos formados de concreto ·lanzado y reforzados con varillas corrugadas en cuantía igual a la obtenida en los tramos adyacentes a los portales, donde las presiones de diseno son aproximadamente igual al doble de las empleadas para· el cálculo del patrón de anclaje, que constituyeron el sistema de soporte general del túnel.
Construir las protecciones ·de mampostería en los extremos exteriores·. 3.2
Excavación
Teniendo en cuenta la magnitud relativamente reducida del volumen de excavación, el proceso. para ejecutarla se planteó prácticamente sin restricciones en cuanto a equiP.O por
15 eapetol' nominal
del concreto tonz.ado
r
l.intá B (Lineo de pago l In o
A ( Lillla ficticio do lo quo nodeben. 10brttallr ,poroio,._• del concreto lanzado.).
·
692
CoftCreto c-otado .'IM:.:....-..-''="~'1 lugar 10 eapiaor nominal del concrt]to· lanzado
980 ----------------------~
NOTA: ACOTACIONES
EN CENTIMETROS
Fig. 6 Ademe exterior de las partes cercanas .a los portales
73
emplearse y método de avance, pues se-esperaba que así lo permitiera la relativamente alta calidad de la roca; solamente en el frente de ataque por el portal de entrada, se especificó que la excavación fuera realizada con un banco de 2/3 de la altura del túnel y escalonamientos laterales para poder realizar inmediatamente después de ejecutada la explotación, fa colocación del anclaje, e impedir así al maximo posible, el aflojamiento y disÍocación de los estratos de la roca, que en la parte inicial de fa excavación por este frente se esperaba fueran aproximadamente horizontales.
nitrógeno, dióxido de azufre, compuestos de plomo, partícu·. las de carbón, etc. La proporción de estos gases varía de acuerdo al tipo de combustible y a fas condiciones propias del_ motor. Las experiencias conducidas por la Fi.siología, senalan que el monóxido de carbono es el compuesto crítico, lo que aunado a. Jos. r.equerimientos de visibilidad pe~miten afirmar que: . . La finalidad principal de la ventilación en urrtúnel carretero es la dilución de los gases nocivos muy particularmente del monóxido de carbono emitido por los vehículos impulsados con gasolina y del humo negro conteniendo partículas de carbón producido por los motores a base de diese l.
En el frente de excavación por el portal de salida, se planteó la alternativa de ejecutar fa excavación a sección completa, debido a la favorable disposición de los estratos de roca, requiriendo el uso de plataformas auxiliares para barrenación y colocación del anclaje inmediato a la explotación. Puesto que el proyecto de Jos sistemas de ademe consideró en forma muy importante la capacidad de autosoporte de la roca excavada, se propuso una separación de 40 cm entre las líneas A y B. Esta dimensión se consideró equilibrada entre las necesidades de no afectar el material perimetraf y no encarecer el trabajo. Adicionalmente, para lograr el primer propósito se recomendó el método de explotación suave. (Smo_oth Bfasting.)
3.3
4.1
Requerimientos de aire fresco
a)
Por toxicidad Mediante la conocida fórmula: Qco =. K Qco l 10
donde:
Anclaje
= Necesidad de aire fresco dentro del túnel,
K
= No. de vehículos por kilómetro de túnel = Producción d~ CO por vehículo, en 1/min·
Qco
vehículo
= Longitud del túnel, en km = Concentración permisible
L
ó
de
CO,
en
p. p.m., es posible determinar el requerimiento de aire fresco por toxicidad.
Concreto lanzado
Los parámetros adoptados fueron:
=
K 67 vehículos/km en 2 carriles de circulación 1qc0 = 60 1/min-vehícufo L = 0.894 km ó = 150 p.p.m., obteniéndose Qco = 399.3 m3/s.
Ademe especial b)
Cuando se encontraran zonas en roca altamente fracturada o, escasa. cementación o aflojamiento progresivo notorio, debían construirse soportes especiales inmediatamente después de haber lanzado la capa de concreto. Tales soportes. consistían de varillas corrugadas de refuerzo y concreto lanzado formando arcos colocados en capas, garantizando una correcta adherencia en todo el espesor del arco. 4.
Qco
en m 3/s
Una vez realizada la explotación de un avance, se debía proceder a lanzar el concreto en la parte descubierta de manera que toda parte excavada de las paredes y techo del túnel quedara protegida de inmediato. En ningún caso debería tenerse por.más de 12 horas una longitud de túnel mayor de 3 m sin la capa de concreto lanzado.
3.5
(1)
ó 60
Antes de dinamitar debería haberse terminado la colocación de las anclas en la parte descubierta por el avance anterior. No se autorizaría la explotación de avance si no se encontraba anclado todo el túnel hasta una distanci-a no mayor de 4 m del frente de explotación. El anclaje de cada avance debió ser terminado en un plazo no mayor de 12 horas después de efectuada la explotación respectiva. 3.4
3
Por visibilidad Igualmente, la necesidad por visibilidad es determinada por la exl?resión:
K qo L 3600
e
Qo =
(2)
donde:
VENTILACION
Q0
= Necesidad de aire fresco dentro del túnel, en m3js
La combustión de gasolina o diesel produce gases nocivos a la salud o nubes de humo negro; los efectos son en consecuencia la toxicidad o falta de visibilidad respectivamente.
K qo
Los análisis químic-os de los gases expulsados por los motores, indican una amplia variedad de compuestos indeseables, entre los cuales están el monóxido de carbono, óxidos de
C
L
74
= No. vehículos por hora = Producción de humo
por vehículo, en mg/km-vehículo :;= longitud del túnel en km Proporción aceptable 'de partículas de car· bón, en mgfm3
=
Los valores fueron:
Introduciendo en (3) los valores propios de la meteorología de la zona, se obtuvo:
= 1333 vehículos/hora en 2 carriles. = 3 900 mg/km-vehículo.
K qo L
= 0.894 km e = 3.0 mg/m3, encontrándose Qo = 430.3 m3fs
Vn
Adicionalmente, se aplicó el criterio empírico de H. Kress quien determina la longitud máxima deltúnel sin necesidad de ventilación artificial.
= 430.3 > Qco = )99.3 m3Js
Es de comentarse que los valores utilizados en las concentraciones permisibles fueron conservadores, pues las recomendaciones existentes indican:
Este criterio no toma en cuenta la influencia de las condiciones meteorológicas de la zona, como se puede observar en la expresión: L
150<5< 250 p.p.m. dependiendo del tiempo de exposición. 1.0< C < 8.0 mgfm3 según la velocidad de operación. .
8.3 m/s, lo que aplicado a la sección transversal del túnel, arrojó:
Q = 465.3 m3fs
Es notorio que el requerimiento de aire fresco por visibilidad es mayor que por toxicidad. Qo
=
=
óA a v 120000 Qc0
(4)
.
donde:
Además en los cálculos se consideró una composición de tráfico del100% con vehículos de gasolina para el caso toxicidad y de 100% con vehículos de diese! para el caso de visibilidad. · · .
L
= Longitud máxima del túnel sin ventilación arti-
ó
= Contenido permisible de CO dentro del túnel,
A a
= Area de sección transversal, en m2
ficial, en km
en p.p.m.
4.2
Ventilación natural
Establecidos los req'uerimientos de aire fresco, a continuación se vió la aportación dada por la ventilación natural y en caso de ser ésta insuficiente, entrar al diseno de ventilación artificial.
.V
2 g hn
'Y (1
+ E )\
4.3
(3) .
Esta decisión se ha encontrado congruente con la realidad en más de medio ano de operación, lapso en el que se han producido picos de tránsito ligeramente superiores a los previstos~ Es de esperarse que las condiciones a futuro se'an de igual confiabilidad.
(
.• X L R
= Aceleración de la gravedad, en mfs2 = Diferencia total de carga hidrostática, medida = = =
= =
Solución y resultado
Puesto que los gastos de aire necesarios (aún en condiciones desfavorables por el. volumen y composición del tráfico o por los bajos niveles de contaminantes planteados) resultaron menores que la provisión lograda en forma natural, el diseno no recomendó ventilación artificial en ninguna de sus formas conocidas.
donde:
'Y e ·
=
aceptable.
R
g hn
qc0 ·
vehicular dentro del túnel, en km/hora Producción de · CO por vehículo, en 1/minvehículo
ó = 191 p.p.m., valor que se encuentra dentro del rango
De acuerdo a las teorías de Andreae, es factible determinar la velocidad Vn del aire moviéndose dentro del túnel, con la fórmula:
=
= Velocidad
Despejando de (4) al contenido permisible de CO dentro del túnel y aplicando los valores respectivos, resulta:
Cabe decir que la ventilación artificial origina costos importantes en su instalación, operación y mantenimiento, por lo que en el caso presente y dentro de las limitaciones conocidas del trazo del camino y de las condiciones geológicas, se buscó una orientación lo menos divergente posible a la dirección de los vientos dominantes así como un trazo en tangente y un desnivel en los portales, para favorecer el flujo de las corrientes naturales de aire.
Vn
= Separación promedio entre vehículos,. en m
v
5.
en mm, ocasionada por diferencias en temperatura, presión barométrica y velocidad de viento Peso específico del aire, en kgfm3 Coeficiente por cambios de dirección y sección transversal en el túnel Coeficiente por fricción Longitud del túnel, en metros Radio hidráulico de la sección transversal
CONSTRUCCION
La excavación fué realizada atacando por ambos frentes, obteniéndose un avance promedio de 3.58 m/día de trabajo, equivalentes a un volumen diario de 200.5 m3 El control topográfico se llevó a cabo con métodos y aparatos tradicionales. La calidad de la roca encontrada fué mejorando en la dirección suroeste-noreste, salvo en tres cortas zonas donde se en-
75
contraron contac;:tos de la caliza con arcillas húmedas; en estos tramos se procedió a protegl;r la excavanón nwd1antP los ademes especiales senalados en el punto 3.5, permitiendo el libre paso de las filtraciones hacia el dren propio de la sección transveraf.
tación y supervisión deben guardar entre sí una relación tal que permita la correcta, oportuna y económica toma de decisiones en cualquier fase del trabajo. 7.
REFERENCIAS
Roguinsky V.M. On the Estimation of the Basic Parameters for Grouted i\nchors. Editorial Niedra, Moscow 1971.
Las barras de anclaje fueron colocadas y probadas según las indicaciones prescritas.
Bello M.A. y Serrano L.F. Measurements of the Behavior of Grouted Bolts Used as Reinforcing Elements for the Support of Underground Openings. Proceedings of
Se tuvo un considerable ahorro al suprimir in situ la capa de concreto lanzado; esta decisión fué tomada a la vista de la sanidad de la roca encontrada, del pequeno grado de fracturamiento del perímetro excavado y de la inclinación 'favorable de los estratos.
Karoly Szechy The Art of Tunnelling. Editorial Akadémiaikiadó, Budapest 1973.
6.. CONCLUSIONES
Andree A.A. Problémes du Proyet et de L'établissement des Grands Souterrains Routiers Alpins. Editorial Leemann, Zurick 1949. Haerter A.A. Fresh Air Requeriments for Road Tunnels. Proceedings of the lnternational Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tonnels. University of Kent at Canterbury, England, 1973.
Las experiencias obtenidas de este caso y otros, permiten concluir: El estado de avance actual de diversas técnicas aplicadas incluida la Ingeniería Económica, debe permitir el contemplar la alternativa a base de túnel, tan digna de ser estudiada como otras soluciones tradicionalmente aceptadas.
Megwa T.M. Desing of Ventilation Systems for Road Tunnels. Proceedings of the lnternational Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. University of Kent at Canterbury, England, 1973.
Es obvio que el diseno, el equipo y el proceso constructi· vo de un túnel deben estar regidos por el tipo de material por excavar, así como por el tamano intrínseco de la obra. Las labores de proyecto, construcción, instrumen-
76
CONSTRUCCION DE TUNELES EN SUELOS MEDIANTE· EL EMPLEO DE ESCUDOS O MAQUINA$ ROZADORAS
H. Canseco Aragón
1.
tido amedida que el escudo avanza. Para avanzar el escudo. se apoya en el revestimiento recién colocado empujándose a través de un sistema de gatos hidráulicos los cuales ál desarrollo de toda su carrera· dejan espacio para la colocación del revestimiento.
INTRODUCCION
En las 12 ~últimas décadas el crecimiento acelerado de los países ha obligado~ a.construir y ampliar una serie de servicios de infraestructura a fin de dotar a sus habitantes de me· · jores condiciones de vida.
las actividades fundamentales· que se realizan en la excavación de túneles con escudo son las comunes a cuálquier tipo de túnel:
Entre esos servicios se cuentan: Transporte, conducción de agua potable, drenaje, explotación de yacimientos, etc.
, a} Excavación del frente. b} Rezaga y transporte del material de excavación. e} Colocación del revestimiento. d) Manteo o eliminación del material excavado.
Dentro de las soluciones tendientes a resolver los problemas hubo la necesidad de construir toda clase de túneles lográndose avances tecnológicos de suma importancia. En lo.que se refiere a construcción de túneles en suelos blandos el auge no se hizo esperar desarrollando técnicas sofisticadas con lo que se. intenta encontrar un sistema universal . de excavación de túneles, que pueda ser usado a través de cualquier condición de suelo sin causar ningúntraston1o en superficie (en la mayor parte de los casos el túnel debe atra. vesar bajo zonas densamente construidas, bajo el fondo del mar, etc.}. En este renglón los es.cudos y las máquinas rozadoras han recibido especial atención. 2.
5in embargo, dependiendo del grado de mecanización de los escudos, dichas actividades pueden ejecutarse en forma simultánea. 2.2 Tipos de escudos En los últimos anos el nombre de "Escudo" ha tendido a ser menos usual cambiándose por "Máquinas Tipo Escudo" o "Máquinas Perforadoras de Túneles", estando íntimamente ligado este cambio con el grado de mecanización o con las principales características de éada escudo en particular.
ESCUDOS
En un concenso general existen 2 grandes grupos de escudos, en función a la forma de ataque del frente de excavación:
2.1 . Cara'cterísticas principales· Constituidos por una coraza metálica son básicamente un sistema de soporte movible que provee de áreas de trabajo seguras para la excavación del frente del túnel al' mismo tiempo qÜe se coloca el revestimiento. Generalmente constan de 3 partes de acuerdo a sus funciones:
-Escudos de frente abierto. -Escudos de frente cerrado. Estos 2 grupos pueden integrarse en la forma siguiente:
a} · Visera o parte frontal. b} Cuerpo o parte intermedia. e} Faldón o parte posterior.
2.2.1 Escudos de frente abierto -Escudo manual. -Escudo con rejilla al frente. -Escudo con cabeza cortadora oscilante. -Escudo excavador. -Escudo con cabeza cortadora giratoria.
En la visera se realizan las actividades de excavación del frente y en la mayor parte de los casos alojan la maquinaria o el personal con el que se realiza dicha actividad. El cuerpo aloja todo el equipo hidri!Uiico propio para el movimiento del escudo además de servir de apoyo para la instalación del equipo con el que se ejecutan la excavación del frente y c
. 2.2.2 Escudos de frente cerrado -Con cabeza cortadora giratoria.
77
Otra de las ventajas de los escudos excavadores consiste en la posibilidad de ademar el frente aún con la máquina excavadora; algunos escudos son. construidos con sistemas de compuerta de ademe accionada hidráulicamente y que pueden cerrar el frente en unos cuantos segundos. Algunos escudos cuentan con gatos hidráulicos adicionales para extender y retraer un conjur. to de placas que constituyan una visera movible.
-Con mampara de presión -Con frente presurizado por lodos. -Con presión de tierra balanceada. 2.3 2.3.1
Breve descripción de los diversos escudos Escudos de frente abierto
Obviamente estos escudos pueden excavar a través de suelos compactos.
Escudos manuales
Escudos con cabeza cortadora giratoria
Sin equipo propio para excavación del frente, dicha actividad debe realizarse en forma manual.
Provisto de motor y trasmisión para el movimiento giratorio de la cabeza de corte han sido bastante usados en suelos generalmente buenos, autosoportables, secos y estables. Debido a que la cabeza cortadora tiene aberturas no son adecuados para suelos inestables, sin embargo ofrecen buena protección contra caídos en la corona y las paredes. Una variante de estos escudos ha sido aplicado en suelos muy duros y competentes o en rocas suaves; escudos de cabeza cortadora giratoria con "patas" laterales, fas cuales avanzan sin .necesidad de apoyar contra el revestimiento del túnel.
Son los escudos más simples y c~entan con gatos frontales y plataformas occio[ladas hidráulicamente para ademar el frente. Su uso está restringido al rango de suelos blandos o poco compactos puesto que la eficiencia en el avance de la excavación disminuye conforme se incrementa la compac;:idad del suelo. Estos escudos han tenido bastante uso en la Ciudad de México a partir de la década de los 60's, continuando su utilización hasta la fecha; en condiciones críticas de estabilidad del frente de excavación ha sido necesario emplear aire comprimido en el interior del túnel, resultando una buena combinación.
2.3.2
Escudos de frente cerrado
Escudos con cabeza cortadora giratoria La cabeza cortadora es casi totalmente cerrada o se puede cerrar hidráulicamente en forma total. El objetivo de esto es conservar el cortador prácticamente en contacto con el frente del túnel y solamente dejar pasar el material que es cortado por las navajas del cortador.
Escudos con rejilla al frente Dotados con una rejilla metálica al frente realizan la excavación empujando contra el suelo por excavar, el cual se introduce a través de cada una de las divisiones de la rejilla en un fenómeno de extrusión. La rejilla cumple ·las funciones de ademe y para condiciones críticas de estabilidad pueden colocarse placas en la estructura de la rejilla para cerrar el frente. Este tipo de escudo es aplicado en suelos blandos cohesivos y es de patente mexicana.
Si el suelo no es estable pueden ocurrir caídos los cuales pueden no ser detectados por el personal en el túnel. En teoría solamente pueden ser caídos pequeños debido a que no hay suficiente espacio y en tales condiciones debe avanzar lo más rápido posible empujando el. frente con fa cabeza cortadora.
Escudo con cabeza cortadora oscilante El movimiento del cortador se logra generalmente mediante un par de potentes cilindros hidráulicos que se extienden y retraen, haciendo que el cortador oscile a través de un buje. Un fabricante de Estados Unidos construye escudo de este tipo c~m varios segmentos diferentes del cortador oscilando independientemente alrededor de centros separados, teniendo la parte superior del cortador inclinada hacia adelante.
En algunos casos han ocurrido caídos por falla parcial del frente mientras el resto permanece estable;y el escudo ha excavado grandes cavidades antes de que fa falla sea detectada. Se recomienda usar equipo para. pesar o medir volumen de material comparando contra el avance a fin de detectar cualquier sobreexcavación.
Al accionar la cabeza cortadora t~mbién cumple las funciones de ademe para estabilizar el frente. Sin embargo, el movimiento oscilante es poco eficiente.
Escudos con mampara de presión Cuentan con una mampara metálica al frente (al inicio de. fa visera) formando una cámara en donde se aplica aire comprimido para estabilizar el frente, dejando el resto del túnel en condiciones normales de presión atmosférica.·
Escudos excavadores Son los escudos clásicos a los cuales se les monta una o más excavadoras en su interior, a fin de atacar el frente en. forma más eficiente. Una de las principales ventajas de montar una herramienta de excavación en el interior de un escudo es que el escudo puede aportar mayor apoyo para la herramienta, no sucediendo así con retroexcavadoras montadas sobre orugas o con cualquier equipo móvil.
El primero en su tipo fue construido en 1961 y usado en el Metro de París, fa excavación se realizó con varios excavadores hidráulicos mor-hados adelante de la mampara de presión, siendo controlados por el operador a través de ventanas provistas en fa mampara. Con estos escudos se vislumbró la posibilidad de introducir un líquido para contener" el frente, regulando la presión del líquido mediante una cámara de aire comprimido formada
Las excavadoras más usuales son las palas-retroexcavadoras y las rozadoras o desgarradoras.
78
por 2 mamparas. Asimismo, se descubrió la conveniencia de usar escudos que trabajaran .con el .frente húmedo, evitando peligros de incendios y explosiones al entrar en contacto el a·ire comprimido con formaciones conteniendo gases.
sado así. como de las fuerzas originadas por el empuje del escudo. El ancho del revestimiento (en. sentido longitudinal al eje del túnel) está ligado a la longitud de la carrera de los ga~ tos de empuje del escudo así como a la longitud del faldón, constituyéndose en la mayoría de los casos por segmentos unidos entre sí por medio de tornillos:
A partir de este momento se introdujeron los escudos con cabeza cortadora giratoria con mampara.de_presión y las diversas modalidades de escudos con frente presurizado. 2.3.3.
Segmentos precolados de concreto reforzado. Segmentos de acero.
Escudos con frente presurizado de lodos
Cuentan con una cabeza cortadora giratoria para realizar la excavación del frente. Son aplicables en suelos que presentan problemas de estabilidad, lá cual se logra mediante el uso de lodo bentonítico a presión confinado entre el frente. de excavación y la mampara. Con el lodo presurizado -se reduce la dependencia de la cabeza cortadora giratoria para contener el frente.
Una combinación de ambos. Marcos matálicos con retaque de madera. Concreto extruido coloéado en el lugar -esta técnica está en vías de desarrollo.
4.
El lodo a presión es suministrado a la cámara formada por la mampara y el frente de excavación, a través de una tubería de suministro, desalojando los materiales excavados en combinación con lodo bentonítico a través de una tubería de retorno.
Una vez resuelto el problema de ataque y estabilización del frente de excavación, los disenadores y constructores de escudos han dedicado sus esfuerzos a crear un sistema completo que permita las construcciones de túneles con altos promedios de avance diario; se han implementado eficientes mecanismos de colocación del revestimiento (anillos erectores o erectores circulares), el transporte y eliminación del material excavado utiliza diversos equipos que mueven grandes volúmenes a gran velocidad y lo que es muy importante, es el grado de automatización electrónico que se implementa día con día para el control óptimo de todas las actividades de la construcción de túneles.
Generalmente, para el manejo de lodos bentoníticos se requieren instalaciones superficiales en los que se separan los materiales excavados y se regenera el lodo para ser usado nuevamente. El uso de estos escudos se ha incrementado enormemente a partir de 1971, principalmente en Japón, Alemania e Inglaterra.
En lo que respecta al aspecto económico, la proliferación de uso de escudos con todo tipo de configuraciones ha demostrado que se encuentran en nivel competitivo con los sistemas convenciondles, motivo por el que cuentan con un futuro promisario de capital importancia dentro de la planeación y ejecución de obras de infraestructura.
Actualmente en Japón se está desarrollando una nueva modalidad de estos escudos, denominado Escudo de Lodos de , Alta Densidad; al usar lodos muy viscosos se trata de eliminar el uso de grandes volúmenes de lodo y para eliminar el material excavado no se requiere licuarlo pudiendo ser ma· nejado por un transportador de tornillo. Los alemanes, competidores de los-japoneses, han desarrollado otro tipo de escudo que cuenta con una cámara de aire comprimido para regular la presión del lodo bentonítico contenido entre la mampara y el frente.
5.
3.
MAQUINAS ROZADORAS
Estas máquinas excavadoras cuentan con una cabeza de corte giratoria dotada de dientes de alta resistencia.
Escudo de presión de tierra balanceada De fabricación y tecnología japonesa constituyen una variante de los escudos de lodos de alta densidad en los que se elimina totalmente el uso de lodos bentoníticos; el material excavado por la cabeza cortadora llena la cámara de tal manera que se mantiene una presión que contrarresta los empujes del subsuelo. Conforme el escudo avanza el material excavado es forzado a entrar a un transportador de tornillo que se encarga de depositarlo en una tolva localizada en la parte posterior del escudo.
PRESENTE Y FUTURO DE LOS ESCUDOS
,.la cabeza está montada sobre un brazo largo el cual es accionado por medio de gatos hidráulicos. _ El uso de estas excavadoras nació en las explotaciones mineras, determinándose posteriormente su aplicación en túneles en suelos compactos y en rocas suaves. A diferencia de los escudos, solamente son un equipo auxiliar para la excavación de túneles y su uso prácticamente puede combinarse con cualquier tipo de soporte empleado en la construcción del túnel; son muy versátiles, como se mencionó con anterioridad, pueden montarse en escudos. , Dependiendo de la forma de uso que se les dé, también pueden recolectar Jos materiales excavados y cargarlos al sis-
TIPOS DE REVESTIMIENTO EMPLEADOS CON ESCUDOS
A la fecha existen varios tipos cuya calidad estructural depende en gran parte de las condiciones del subsuelo atrave-
79
tema de transporte con que se cuente en el túnel. En estos casos están equipados con un sistema de brazos recolectores y un· transportador.
Actualmente, el uso de estas máquinas e~cavadoras se está incrementando notablemente en México.· En el artículo "los progresos más recientes en los sistemas rápidos de excavación" de la publicación Geomimet (3a. Epoca. Enero-Febrero 1981. No. 109) se proporciona una visión clara y completa de la evolución y aplicaciones de estas máquinas.
En función de su versatilidad pueden atacarse los túneles en diferentes etapas sin llevar una sección completa como es/el caso de los escudos.
80
PROCEDIMIENTO DE EXCAVACIONDE TUNELES EN SUELOS BLANDOS CON EL USO DE ES(:UDO pE FRENTE ABIERTO Y AIRE COMPRIMIDO.
M. tópez Portillo Verdugo
1 .. ANTECEDENTES
Facilitar el trabajo de construcción. . Evitar deformaciones excesivas del terreno y por lo tanto, reduce los asentamientos en la superficie.
El primer escudo para túneles fue patentado en Inglaterra en 1818 por Sir Marc Brunel, el cual se us9 a partir de 1823 en la construcción de un túnel bajo el río Tamesis. Este tenía una sección rectangular de 6.75 X 11.40 y estabaprovisto de un complicado sistema de plataformas de ademe que sostenían ·el frente por medio de tornillos mientras que el escudo se movía hacia adelante penetrando en el terreno mediante unos ·gatos de. tornillo' apoyados contra el revestimiento final.
m
3.
EJ principal elemento de la estri.Jctura .del escudo es el forró o camisa que está constituido de placas de acero, de acuerdo a la se.cción del túnel y ligeramente mayores que él.
en
la camisa puede dividirse en tres partes principales, función de su rigidez y del arreglo de acuerdo a su propósito.
El escudo moderno, de frente abierto, puede ser de sección circular, rectangular, herradura, etc., siendo en todos los casos una estructura rígida abierta en ambos extremos; p'rovee faéilidades en el frente para la excavación del terreno y es su parte posterior para la erección del revestimlento prefabricado.
.
'
En el extremo delantero o cuchilla cortadora, donde se efectúa la excavación, es sumamente reforzada, ·su propósito principal es facilitar el avance del escudo hacia el frente. Su segunda tarea es dar una protección adecuada a los trabajadores ocupados en la excavación del frente. El diámetro de la cara de corte debe ser ligeramente mayor que el diámetro del escudo, con objeto de disminuir la presión del ter.reno sobre el escudo. la parte ce~tral o tronco está destinada para alojar los gatos hidráulicos, mangueras, válvulas, tableros de control y plataformas deslizantes de ataque. · 1 • .. la parte trasera o faldón está disenada para soportar el terreno mientras se realiza el montaje de los segmentos del revestimiento. Gatos de empuje: el movimiento del escudo es efec- · tuado por medio de. gatos hidráulicos, los cuales accionan contra el revestimiento del túnel previamente erigido. Gatos de ademe: el método usado para soportar el frente al tiempo de excavarse y mientras que el escudo avanza, es mediante gatos hidráulicos al frente, los cuales ejercen una presión constante y uniforme.
Debido al crecimiento y desarrollo industrial de diversas ciudades en el mundo, se han construido una gran cantidad de túneles en suelos blandos, de los cuales se pueden citar . entre otros: Los túneles bajo el río Hudson en New York. Los túneles ferrocarrileros en la Ciudad de Londres. El metro de París. El drenaje de la Ciudad de Chicago. El metro de New York. El metro de la Ciudad de México. Los interceptores oriente y central del drenaje profundo de la Ciudad de México. El metro de San Franci.sco. El metro de Moscú. 2.
EQUIPO DEL ESCUDO
PROPOSITO DEL ESCUDO
la idea fundamental del escudo es ql!e el proceso de excavación y el montaje del revestimiento sean actividades casi si" multáneas, ofreciendo esencialmente las siguientes ventajas: .
4.
REVESTIMIENTO PRIMARIO
El ademe primario de los túneles excavados en suelos blandos con escudos, consiste en dovelas o segmentos que for-· man anillos, los cuales pueden o no estar ligados entre sí.
La·sección del túnel puede avanzar con sus dimensiones completas. Ofrece un soporte constante al terreno, en todas direcdones.
Estas dovelas .pueden ser de concreto, de fierro fundido, de acero o una combinación de· marcos metálicos con madera.
81
Dichas dovelas deben tener las siguientes características:
duce en perforaciones estratégicamente colocadas en las do-. velas.
Capacidad de carga suficiente para soportar la presión total (suelo más agua) sin que existan deformaciones ex~ cesivas y filtraciones abundanh!s.
Posteriormente se inicia la inyección de lechada de acuerdo a la siguiente secuencia:
Resistencia a los esfuerzos ocasionados por un manejo brusco en su transporte y colocación.
· 1a. Etapa o Tapón. Es una inyección q4e se realiza en los últimos tres anillos del tramo a tratar y que tiene como finalidad evitar que la lechada de las etapas siguientes se prolonguen a la zona del escudo. Esta mezcla consiste en un mortero de fraguado rápido.
Resistencia a los esfuerzos producidos por los gatos de empuje durante el avance del escudo. Resistencia a fa humedad y a los efectos del agua del terreno sobre el segmento mismo, así como resistencia a la corrosión. 5.
2a: Etapa. Es una inyección menos densa que la anterior, sigue siendo un mortero pero más fluido y sin acelerente, su función principal es r.ellenar los huecos que ~an quedado entre dovelas, terreno y gravilla. 1
GClO DE OPERACION
Antes de iniciar el ciclo de excavación, el frente del túnel- está soportado por un ademe de madera sobre el cual ejercen presión los gatos frontales del escudo. Este se inicia al derribar el· ademe por secciones y "banquear" con herramienta neumática el frente en una longitud equivalente a un empuje. E1 material producto del banqueo cae a fa parte inferior del escudo para posteriormente ser extraído por medio de una rezagadora o de bandas y vaciado en los trenes de rezaga, los cuales son transportados hasta el fondo de la lumbrera para poder extraer hacia la superficie el material producto de la excavación.
3a. Etapa. Esta inyección es mas fluida y esta formada de agua, cemento y bentonita, su función principal es fa de sello e impermeábilización. 6.
ASENTAMIENTOS
Los asentamientos que se producen en la superficiedebido.a la construcción de un túnel en suelos blandos se deben a: a)
La consolidación de los suelos producida por el abatimiento del nivel freático por. las extracciones locales de agua ..
b3
Las pérdidas del suelo durante el proceso de la excavación.
e)
La presencia de espacio vacío entre dovelas y terreno.
Dicho material es vaciado en camiones volteo para ser transportado a fa zona de tiro elegida. Al terminar de rezagar todo el material producto del banqueo, se inicia el avance del escudo apoyando los gatos de empuje en el revestimiento anteriormente colocado: Posteriormente los gatos se retraen y se colocan los segmentos necesarios para formar un anillo. Es aquí donde se cierra un ciclo de excavación con un avance equivalente al ancho de un anillo, quedando como actividadE;!S críticas la rezaga, el empuje y la colocación del anillo, simultáneamente a estas a_ctividades se desarrollan otras,· tales como:
o
Los asentamientos evolucionan con el tiempo y su radio de acción varia de acuerdo a las características de los suelos. 7.
TOPOGRAFIA
El uso de sistemas láser en la construcción de túneles sirve no sólo para reducir costos, sino para mejorar la exactitud, reducir pérdidas de tiempo y proporcionar mayor seguridad.
Inyección de gravilla y !.echada. Banqueo y ademe del frente. Colocación de dispositivos para mantener la geometría de los anillos.
En túneles con escudo en suelos blandqs, el uso de un láser con tarjetas elimina mucho tiempo de comprobación después de cada empuje ayudando a acelerar el ciclo. El escudo puede ser dirigido únicamente por el operador, y el turno de topógrafos debe concentrar su atención a comprobar constantemente la colocación del láser, tarjetas y puntos intermedios (o de control), sin presión de ninguna especie y sin int~rferir con las actividades del ciclo.
Colocación de líneas de conducción para aire, bombeo ventilación, hidráulico del escudo, agua, -inyección, lfneas pára el control remoto del escudo, teléfono y alumbrado. Ajuste de los tornillos de las dovelas. Manteo.· Bajada de materiales.
La luz láser se dirige continuamente a dos tarjetas de mate~ rial transparente fijas en el escudo (una adelante y otra atrás). En las intersecciones de la luz con las tarjetas, aparecen puntos rojos brillantes conforme el escudo se mueve; los puntos rojos trazan trayectorias en fas tarjetas.
Al realizar un empuje queda un espacio vacío entre las dovelas y el terreno natural, el cual es llenado previamente con gravilla inyectada a presión y posteriormente con diferentes tipos de lechada, logrando así uniformizar las cargas del terreno sobre los anillos a la vez que se disminuyen las filtraciones hacia el túnel y los asentamientos en superficie.
La posición relativa de la trayectoria marcada por el punto, comparada con la trayectoria calculada, indica la desviación del escudo en la posición deseada. Para un r.ápido chequeo del giro y la pendiente del escudo, se puede usar una plomada y.
La gravilla es· colocada mediante el uso de una lanzadora. neumática que se conecta· a una manguera, la cual se intr07
82
una placa graduada en grados de giro_ y porcentaje de pendiente. -
Dicha mampara delimita la_ zona presurizada· del túnel y por medio de las esch,1s~s es posible mantener el tráfico de personal y materiales sin necesidad de variar la presión en ,el túnel.
CUANDO USAR AIRE {~OMPRIMIDO
8.
El suministro de aire a baja presión se_ logra por medio de un banco de compresores, el cual debe calcularse de tal manera que se tenga una-reserva del100% en cuanto a capacidad de suministro (P.C.M.}. ·
us?
En el año de 1830 Thomas Cochrane, patenta el de_l aire comprimido en la contrucción de túneles y lumbrer/as. Posteriormente, en el año de 1879, se utiliza por primera ve~ aire comprimido en la construcción de túneles y lumbreras. Posteriel, simultáneamente en Inglaterra y E.U.A.
Dado que el aire suministrado por dicho banco es el· que prevalecerá en el medio ambiente del túnel, éste debe ser tratado para poder entregarlo en condiCiones óptimas de salubridad; para tal motivo, se hace pasar previamente a través de interenfriadores de agua, con lo cual se le disminuye la temperatura excesiva ÓcasionacÍa por la compresión del mismo, posteriormente pasa a dos series de separadores-de impurezas (agua y aceite en suspensión) y por último es enviado por medio de tubería hasta el frente de trabajo.
A partir de esa fecha se ha seguido utilizando este método en los túneles donde las condiciones de estabilidad del frente son precai-ias y los gradientes de_ filtración hacia la excavación producen situacion-~s peligrosas, como son el arrastre de. material, tubificaciones, ebulliciones de las arenas, etc. la teoría de este método es muy simple: Al.túnel -se le adiciona una presión de aire a baja presión, en exceso d~ la atmosférica que actuará en todas las ·paredes y el frente, ayudando as_í a mejorar la estabilidad del frente y a evitar o disminuir las filtraciones hacia -la excavación.
A continuación se presenta un corte en el que se ilustran lasinstalaciones principales: Escudo de frente abierto. Mampara.
Para definir la presión de aire a utilizar se toma en cuenta el criterio de Broms y Bennemark, para el cual se tiene la extrusión en la arcilla cuando los esfuerzos en el frente del túnel alcanzan los siguientes valores: _
Es<;lusas de rezaga y personal. Tablero de control. líneas de conducción de aire B. P.
¡h
= (6 a 8) e
Sistema de manteo. Banco de compresores de B.P.
donde:
'Y h
= Presión total
Cuando las condiciones del ~erreno ameritan que la excavación del túnel se tenga que iniciar con aire comprimido a partir di:da lumbrera, entonces la mampara y las esclusas son colocadas en posición vertical.
a la profundidad media del túnel
e = Cohesión de la arcilla en prueba no drenada.
En esta figura se observa la disposición de dichas instalaciones:
Para el tramo 9-8 del interceptor ce-ntral que actualmente está en etapa de excavación, se .tomaron los siguientes datos:
'Y
= 1.3 ton/m 3
h
= 26.5 m
e = 6.5 tonfm2
lumbrera.
'
Mampara.
La presión de aire se define de la siguiente manera: Pa ·=
Esdusa de rezaga y personal. Anillo de sujeción.
h- 4C
lastre. Cabe aclarar que se toma elfactór 4C y no el6 u 8C para trabajar en el rango elástico, evitando así deformaciones mayo" res en el frente y por consiguiente menores asentamientos en superficie, por lo tanto: Pa
= 1.3
x 26.5 - 4 x 6.5.
= 34.45
-
Escalera de acceso. El funcionamiento de este sistema es básicamente el mismo de las esclusas en posición horizontal, existiendo pequeñas variantes en cuanto al procedimiento de manteo, lo cual hace que disminuyan los rendimientos.
26-= 8.45 tonimz
La presión de aire que se utiliza actualmentP es de 0.9 kg:cm2 Aún cuando las propiedades del suelo por excavar no cambien, se puede variar la presión de acuerdo a los problemas ocasionados por el flujo de agua hacia el interior del túnel:
Actualmente se está trabajando por primera vez en México con esclusas verticales en la excavación del tramo 8-7 del interceptor central del drenaje profundo, siendo satisfactorio el comportamiento de este sistema a la fecha.
9.
10.
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
De acuerdo a las necesidades de proyecto se define la posición-en el túnel de la mampara, la cual·alojará a la esclusa de personal y de materiales. ·
SERVICIO Mf;DICO
las condiciones en que labora el personal en ambiente hiperbárico, son similares a las existentes donde se desarrolla el trabajo de los buzos en el mar.
83
No padecer enfermedades de pulmón, oídos o articulaciones.
Por lo tanto dicho personal debe estar sujeto a ciertos tiempos de descompresión, que están en función de la presión y el tiempo que laboren en el ambiente arriba mencionado, estos tiempos de descompresión están diser'lados de tal manera que permitan que el aire disuelto en los tejidos del personal, sea expulsado sin las formaciones de burbujas de nitrógeno, las cuales dan origen a las enfermedades por descompresión.
Para lograr dicho control se formó un servicio médico especializado, cuyas funciones principales sori: · 1. Selección de t. abajadores.
La incidencia normal de este tipo de trabajo es de un enfermo por cada 1 500 descompresiones. Las tablas de descompresión que actualmente se usan en los trabajos del drenaje profundo de la Ciudad de México, se. obtuvieron a partir de las tablas de la Ciudad de Washington, D. C. de 1971. Estas hubo necesidad de modificarlas ya que sólo contemplan la eje<;:ución de trabajos al nivel del mar y no al de la Ciudad de México.
2.
Vigilancia médica.
3.
Tratamiento de enfermedad por descompresión.
4.
Elaborar las normas de seguridad.
1.
La selección de los trabajadores se hace en base a: Su historia clínica. Exámenes de laboratorio. Radiografías de tórax y articulaciones. Espirometría .o capacidad pulmonar. Audiometría. Prueba de compresión en-la Cámara Médica.
2.
La vigilancia médica está encausadafundamentalmente a ensenarle al personal normas elementales referentes a los hábitos higiénicos-dietéticos y a la prevención y atención de las infecciones respiratorias.
3.
las enfermedades por descompresión pueden presentarse como de:
Dicha modificación se llevó a cabo con la siguiente fórmula:
=
Pe
P.n.m. PB
X
Pt
Síntomas tipo 1 (comezón, color de cabeza, ·fatiga, etc.), como de:
donde: PB P.n.m. Pt Pe
= = ;:::
Presión Presión Presión Presión
barométrica del lugar de trabajo. barométrica al nivel del mar. de trabajo corregida por altitud
Síntomas tipo JI (vértigo, dolor de pecho, falta de aire e inconciencia). Estos síntomas se pueden tratar con: Recompresión con aire,
Por lo tanto, para la elevación de la Ciudad de México (2,245 m.s.n.m.) corresponde un factor de corección de: Pe= 760 mm de Hg 580 mm de Hg
Recompresión con aire y oxígeno y con Tratamiento a base de productos farmacéuticos.
= 1 .31
4.
la formulación de las normas de seguridad es el aspecto más importante del servicio médico, básicamente se refiere a la definición y aplicación de los tiempos de descompresión correctos.
Teóricamente, hacer estas correcciones no tendría ningún problema; pero a pesar de ello se llevaron a cabo una serie de pruebas en cámara médica tendientes a corroborar dicha teoría o en su defecto modificar las tablas.
11.
En todas las pruebas efectuadas se llevó un control muy estricto de las condiciones de los trabajadores antes, durante y después de las mismas.
Para llevar a cabo la instalación de un túnel con escudo y aire comprimido, es indispensable el uso de las siguientes instalaciones:
El control médico del personal es el aspecto más importante en este tipo de obras, ya que el trabajar en ambiente hiperbárico, requiere de una estrecha vigilancia médica y una estricta selección del personal, el cual debe cumplir con los siguientes requisitos:
Sub-estacón eléctrica·
INSTALACIONES Y EQUIPOS UTILIZADOS
Cuya capacidad se define de acuerdo a la demanda. Plantas de emergencia Se debe contar con un banco de plantas generadoras, cuya capacidad permita desarrollar normalm.ente las actividades de excavación aún cuando se interrumpa el suministro de energía proveniente de la calle.
Integridad física. Capacidad para desarrollar ejercicio físico. No rebas·ar el 20% de sobrepeso. Edad inferior a1 35 anos ..
Banco de comprt>sores de alta presión
Aptitud para igualar presiones en los senos para nasales y oídos. ·
Cuya capacidad debe satisfacer la demanda de.aire que requiere la maquinaria de túne! y algunas de superficie.
84
Sala de bombas del escudo Contiene las bombas hidráulicas con sus respectivos depósitos de aceite y los tableros maestros. Es aquí donde se genera la presión que hace funcionar todo el sistema hidráulico det escudo.
enfriar el aire se trata en una torre de enfriamiento para volverla a recircular por los mismos ínter-enfriadores, formando así un circuito cerrado. · ···.,'
la presión de aire en el túnel es controlada en superficie por una válvula reguladora, la. cual se cierra o se abre automáticamente de acuerdo a las necesidades del mismo, sin que esto implique variaciones notables en la presión.
Caseta de inyección Donde se fabrican las mezclas de cemento, bentonita, arena, agua. Pos'teriormente son enviadas. al túnel por medio de tuberías para ser utilizadas en el tratamiento de inyección de contacto entre dovelas y terreno nat.ural
Talleres Se debe contar con taller mecánico, eléctrico, de soldadura y · carpintería. · Almacé11 Se debe contar con las 'refacciones V los materiales básicos que requiere la obra por un período de un mes.
Malacate de manteo El cual se utiliza para extraer por la lumbrera el material producto de la excavación y para introducir al túnel materiales de consumo.
Vestidores y bancos. Para cargar de las baterías de las locomotoras eléctriéas.
Es más conveniente utilizar malacate de doble tambor que de tambor sencillo, va que se agiliza la operación.de manteo, estando esto condicionado por el diseño del sistema.··
12.12 Esdusa de descanso Cuando los tiempos de descompresión son largos, resultá incómodo para. los trabajadores el des'coinpríinirse en la esclusa de personal ya que se tiene espacio muy reducido. _.
Servicio médico Constade una sala de espera, 2 consultorios, oficiriá médica, archivo, cuarto de curaciones, laboratorio y la cámara médica, así como las instalaciones auxiliares de ésta (oxígeno para tratamientos, aire comprimido de emergencia, mezcla de aire nitrógeno, agua ~ontra incendio, etc.). ·
Para· tal efecto se debe instalar una cámara de descanso a presión, la cual cuenta con sillas acoginadas, regaderas, sanitarios, T.V. y sobre todo mayor espacio ..
Un compresor de alta presión suministra el aire a utilizarse en la .cámara médica, el cual es tratado en un enfriador y un separador de impureZas después de salir de los tanques de almacenamiento hacia la cámara.
12.
CONCLUSIONES
los trabajos que se han desarrollado con aire comprimido han arrojado resultados satisfactorios·, adaptándose el personal rápidamente al ambiente hiperbárico. ·
Banco de compresores a baja presión Los cuales suministran el aire que se utiliza en el túnel para mantenerlo presurizado.
En lo que a rendimiento se.refiere se mejoran ligeramente en comparación de los frentes en que no se usa aire comprimido. la aplicacióñ de este sistema tiene sus limitaciones,- ya que para condiciones más desfavorabfes del terreno, habría la necesidad de establecer turnos de trabajo muy cortos· por tiempos de descompresión muy prolongados, lo cual haría este sistema antieconómico.
Corrio anteriormente se dijo, este ·aire circula a través de ínterenfriadores de agua para reducirle la temperatura de 55° a 26° e aproximadamente, dándole posteriormente un tratamiento de purificación para poder .enviarlo al túnel en condiciones aceptables de pureza y temperatura. El agua utilizada en
85
EXCAVACION DE TUNELES MEDIANTE El USO DE TOPOS O MAQUINA$ EXCAVADORAS OE TUNELES EN ROCA
H. Canseco Aragón
la excavación de túneles en roca mediante el uso de estas máquinas c!,io comienzo en 1958 cuando la compaflía Rob· bins (USA) empleó una máquina de 3.2 m de diámetro en un túnel para el drenaje de Toronto (en 19551a misma compaflía Robbins fracasó en un intento por usar una máquina de este tipo). El avance máximo obtenido de 35 m/día demostró sin ninguna duda que la época de la construcción de túneles en roca dura totalmente mecanizados había llegado. A partir de ese momento el auge de los topos hizo que los proyectos imposibles se tornaran en prácticos y comunes. A la fecha,'en los países desarrollados es una práctica común diseflar grandes proyectos tomando en cuenta la confiabilidad de topos con diámetros superiores ~ 10.6 m. Aunque la mayor parte de los éxitos de los topos han sido en roca dura, la posibilidad de encontrar fallas, acuíferos y suelos inestables han obligado a disenar todos los topos con el mismo principio del escudo; a la fecha estas máquinas están constituidas por 2 corazas tipo escudo que se mueven en forma telescópica una con respecto a la otra, estando la coraza trasera soportada por gatos hidráulicos de tal forma que se permita un movimiento articulado para mejor guía. A diferencia de los escudos, los topos no se apoyan contra el revestimiento del túnel para avanzar (cuentan con "patas" laterales) y tampoco requieren colocar revestimiento a base de segmentos (esta actividad depende de la calidad de la roca y del uso al que se destine el túnel), sin l;!mbargo en la m a~ yor parte de los casos se coloca el revestimiento conforme la máquina.
En el reporte de la visita ai·Túnel Buckskin, de Arizona (USA), se da un panorama amplio de este equipo, y se anotan las características importantes del proyecto.
1.1
longitud excavada al momento de la visita
9 965.4 m (32 695 ft.)
Uso final
Conducción de agua.
ClasifiCación geológi· ca de los materiales atravesados
Andesita, conglomerados y tobas, con resistencias variables ·entre 700 a 2 800 kg/cm2 (10-40 ksi) determinadas en pruebas de compresión simple.
Instalaciones, maquinaria y equipo
la Planta de Dovelas se 'localiza a suficiente distancia del portal de entrada al túnel, dicha. plan· ta cuenta a su vez con una planta para fabricación de concreto, zona de colados, zona de curado, tol· vas para suministro de gravilla y cemento para la inyección, sistema de vías para movimiento de las "corridas" de rezaga, preparación de los trucks para transporte de las dovelas, reparaciones de loco· motoras y las zonas de talleres e instalaciones de energía comunes a este tipo de obras.
Antes de llegar al frente se localiza otro cambio california en el cual se encuentran las instalaciones para la inyección; carros "Morán" y bombas.
INFORME DE UNA VISITA Al TUNEL BUCKSKIN LOCALIZADO EN ARIZONA
En la zona del frente se encuentra el tren de equipo que transporta todo el equipo necesario para el funcionamiento de la máquina excavadora. Dicho tren es una plataforma que va montada sobre la vía central del túnel por medio de un conjunto de ruedas metálicas. En sus partes láterales se apo-
Característi<:as generales del proyecto
localización del sitio de la obra
10 700 m (35 000 ft.).
las corridas que se usan constan de un carro para transporte de dovelas que cuenta con un recipiente de gravilla (5 gal.) para preparar la cama en donde asienta la dovela de la plantilla, un carro para suministro de gravilla, 8 carros para trans· porte de rez¡1ga con capacidad total de 128 yd3 (16 yd3fc) y una locomotora eléctrica o diese! que empuja toda la corrida hasta el primer cambio california que se encuentra en el iriterior del túnel (aproximadamente a la mitad de la longitud excavada). En este cambio se efectúa la transferencia de las corridas llenas con las corridas vacías que van hacia el frente.
Al igual que los escudos, el futuro de los topos es muy promisorio.
1.
longitud total de la excavación
Buckskin Mountains, cer.ca de Parker Arizona.
86 ------~~-
_ -_ 0 _ _ _ _
;,_--~~
--------
ya directamente en el,revestimiento a traves de otro conjunto de ruedas con revestimiento de hule.
Durante el trayecto también se obs~rvaron dos pequenas lumbreras usadas exclusivamente para ventilación; en la primera existía solamente ventilador expulsando aire hacia el frente, en tanto que en la segunda la instalación de tubería ae ventilación continuaba hasta la rampa del tren de equipo.
i
,Para cada uno de los movimientos ambas partes cuentan c_on su propio sistema de gatos hidráulicos que les permite apoyarse contra · el ·terreno del túnel excavado; dichos gatos accionan un conjunto de placas que se apoyan a manera de "patas" en Iéi periferia del túnel excavado, dejando fija una de las partes mientras la otra se · desplaza impulsada por los 4 gatos hidráulicos diagonales.
Características de la máquina excavadora
Diárn.etro interior
7.16 m (23 ft. 5 pulg.).
Tipo
"Topo".
Marca
Robins.
Modelo
233-172.
Sistema de excava- : ción
Sistema de. erección, · de dovela·s Giro del cortador
. Cortador rotatorio en forma de · ··. domó al frente, provisto con 58 discos cortadores de 15 1/2", de . alta capacidad para altas relaciones de penetración en roca dura y máxima vida del cortador; normalmente se excavan 1.5 metros en un tiempo de 20 a 25 minutos y la vida útil de los dientes es de 10 000 ft.
El sistema de "patas" permite alinear la máquina durante el ciclo de excavación. Giro del erector
· Anillo erector. 6 motores eléctricos de 200 · HP c/u, localizados alrededor de la flecha y caja de transmisión: 2 velocidades de cidad estándar · normal y baja operaciones en suelos difíciles.
operación; velopara operación velocidad para condiciones de
·Además los motores eléctricos están provistos de clutches conectados a reductores de velocidad.
Avance del cortador y la· máquina
A través de 2 motores hidráulicos localizados en la sección inferior y equidistante respecto al plano .vertical que pasa por el centro de "fa máquina.
Presión hidráuli!=a para operación del sistema . . de ·,Péitas"
3 OOO.psi.
Presión hidráulica para el resto del sistema
2 500psi.
longitud del faldón
1.83 m (6').
Espesor del faldón
2.54 cm (1").
Tipo de faldón
Abarca solamente la media se.cción superior.
1.3
los baleros principales son lubricados a presión, antifricción y doblemente sellados, de tal forma que absorben altas cargas del cortador. · Sistema de acarreo de rezaga
y por lo tanto en dos etapas. En la
primera etapa se avanza solamente la parte. frontal (correspondiente al cortador) a medida que el cor. tador excava. En la segunda etapa se avanza . en forma telescópica el r~sto de la máquina (permaneciendo fijo el cortador).
En el frente de excavación se localiza la máquina excavadora.
1.2
la máquina se-mueve en dos partes
Sistema usado para avance y alineamiento
Descripción del procedimiento constructivo
El ciclo normal de operación consta de las siguientes etapas: 1 .. Excavación del frente avanzando el cortador.
A través de una banda transportadora localizada en la parte central superior y que descarga en las bandas instaladas en el tren del equipo. 1.50 m (5 ft .), a través de 4 gatos hidáulicos de 13" f/J colocados diágonalmente apoyados contra el cuerpo de. la máquina. Normalmente excava -1.5 metros en un tiempo de 20 a 25 minutos.
2.
Rezaga de los materiales excavados hasta el tren de equipo.
3.
Avance del resto del cuerpo de la máquina.
4.
Colocación del revestimiento.
5.
Colocación e inyección de gravilla con calafateo de fas juntas entre dovelas.
ó.
Inyección de contacto.
7.
Colocación de la vía.
A continuación se realizan descripciones necesarjas par,!!l facilitar el mejor entendimiento del ciclo.
87
1.4
Materiales
Descripción del anillo erector
El grado de eficiencia observado en el anillo erector es muy digno de mencionarse. El anillo erector consiste en una estructura circular rígida que gira alrededor de una gran corona. Para levantar y colocar las dovelas está provista de otra pequena estructura que se mueve prácticamente en todas direcciones: a)
Desliza en forma longitudinal respecto al eje del túnel a través de 2 tubos de 10" de diámetro, siendo generado este movimiento por medio de 2 gatos de 2" de diámetro y 40 pulgadas de carrera.
b)
Se mueve hacia arriba o hacia abajo por medio de 3 g~ tos hidráulicos colocados en forma entrelazada. Este movimiento facilita ef izado de las dovelas sin necesidad de guardar una posición radial.
e)
Cuenta con gatos hidráulicos para accionar los pernos (2 1/2" $)que se introducen en los agujeros de las dovelas.
d)
Puede girar alrededor de un eje perpendicular al centro del túnel de tal forma que es posible izar una dovela en la posición en que se encuentre. Este movimiento puede hacerse manualmente.
Cemento tipo 11
Tamano máximo de agregado 3/4" Sello entre dovelas
Tiras de poliuretano poroso de 1.2 in X 3/8" adheridas a todo lo largo de la unión entre segmentos a base de un pegamento. Este mP terial se conoce con el nombre de Rubetex 411 y es producido por Rubber de New Jersey. Se supone que dicho material es resistente al fuego y es capaz de comprimirse hasta ser de 1/8" de espesor.
Calafateo de las juntas
las rellenan con Mono-Calk 100, el cual se coloca con un dispositivo con motor en el cual bombea (como sí fuera grasa) el MonoCalk a través de una manguera. Antes de colocar el Mono-Calk 100, se limpian las juntas con un chiflón de aire a presión.
Otras características importantes son: Máxima velocidad de rotación
1 r.p.m.
4 Roles guías
localizados a 45° respecto a la vertical en los 4 cuadrantes y 25" dentro del cuerpo de la máquina.
Bombas hidráulicas
1.5
lainas
Además observamos placas de baquelíta pegadas en las juntas de unión transversales (aisladas), las cuales se usan para corrección de los planos de contacto y quizá para emparejar el anillo respecto a la curva del .trazo sobre el que se encontraba la máquina en el momento de la visita.
Anclaje para vía
Al colocar el segmento de la plantilla se dejan ahogadas 8 preparaciones de 5/8" de diámetro, para anclas tipo Burke o Raymond.
localizadas en el lado derecho del tren de equipo y conectadas independientemente del resto del sistema hidráulico (originalmente estaban interconectadas).
Como resultado se obtiene un sistema de erección muy rápido y versátil. Problemas que se han presentado en la erección del revestimiento
a) b)
Por deformación del faldón. Por mal alineamiento del faldón con el túnel excavado.
los rieles se atornillan a cada segmento a través de estas preparaciones.
Características del revestimiento de concreto
No. de segmentos por anillo
4; urió en la plantilla, 2 laterales y uno en la clave. A cada 90° y con los extremos ahusados aproximadamente 11 ° en el sentido longitudinal al eje del túnel. ·
Junta entre dovelas
Formando un machiembrado con lengüeta al centro. Sin tornillos.
Ancho
152.4 cm (60").
Espesor
15.24 cm (6"). la parte más gruesa de la pl¡mtilla es de. 24.13 cm.
Diámetro interior·
6.70 m (22').
Diámetro exterior
7.01 m (23').
Concreto precolado de 350 kg/ cm2 (5 000 psi), reforzado con malla. de alambre No. 35 (a cada 1 O cm) X 1.8 (a cada 45.7 cl')1), en cada cara. El segmento de la corona tiene un emparrill~do adicional en el centro de la cara interior hasta 1.52 m a ambos lados del eje.
88
Anclaje para tubería de ventilación
En el segmento de la corona se dejan 2 preparaciones iguales a las anteriores.
Agujeros para izajee ' inyección
Todos los segmentos se encuentran colocados dejando 2 agujeros de 2 3/4" de diámetro y ahusados 1/8" para facilitar el remover los tapones despues de colar. Solamente en el segmento . de la plantilla dichos agujeros no se usan para izarlo, porque se cuenta con una estructura especial formada con viguetas que se ator-
/
nillan en las preparaciones para la vía, de tal forma que el segmento de la plantilla se levanta del' carro' que transporta los seg',mentos pot medio de un malacate eléctrico que corre a lo largo de la parte superior de la estruc' tura del tren de equipo hasta colocarlo en su posición definitiva (sin usar el anillo erector).
Colocación de segmentos
Todos los segmentos son izados y trasladados del carro de segmentos (localizado al frente de el tren de equipo} hasta el faldón de la máquina por mediO-del malacate eléctrico ya mencionado. Previo a la colqcación ,del segmento de , la plantilla se coloca una cama de gravilla para recibirlo. En la zona de los segmentos laterales se coloca una tira tubular de poliestireno de 3" de diámetro que queda entre el terreno y el revestimiento (tiene como finalidad suavizar el as~ntamiento del segmento sin que se fracture).
por medio de los agujeros de izaje de los segmentos (6 anillos atrás). Las cadenas también ejecutan la funCión de los tornillos de unión para evitar que el faldón arrastre los segmentos debido a la fricción que se desarrolla durante el avance de la máquina. Supervisión de los segmentos coiecados r
16
Descripción del tren de equipo deslizante
Arreglo general
El tren se localiza a 1.5 m atrás de el faldón de la máquina y es jalado con dos cables de acero de 1 3/8" de diámetro que están conectados a la viga principal del cortador y a una viga de la estructura para alojar el equipo (2a. sección). Tiene montados dos juegos · de vías de 36" de separación, y toda la estructura para alojar el equipo. Además cuenta ,eon una rampa · para conectar con la vía central del túnel.
Hidráulico y equipo adicional
La estructura para el equipo consta de secciones típicas en forma de marco de 15.5' de longitud, excepto las dos más cercanas a la máquina que son de 45' de longitud. La longitud total de la estructura es de 240'. En el caso izquierdo (viendo hacia el frente) se localiza un andador y sobre el lado derecho está colocado el equipo.
Equipo instalado
En la parte central superior de la estructura está colocado un sistema de bandas transportadoras con una tolva receptora que puede desplazarse a lo largo de las bandas guiadas por un operador, y de esta forma llenar cada uno de los carros de la corrida que están estacionados en el tren. En la parte frontal superior se localiza el malacate eléctrico que se corre a lo largo de 2 vigas de 12" y en la parte trasera superior se localiza la es-
Antes de colocar el segmento de la corona se inyecta gravilla en .la corona del anillo anterior a través de unos cortes que le hicieron al. faldón (usando una manguera de 2 1/2" de diámetro y 2 lanzadoras Reed). Los tiempos. normales para colocación de un anillo son: Inyección de gravilla 10 a 15 minutos Plantilla 3 minutos Lado izquierdo 3 minutos Lado derecho 3 minutos Inyección de gravilla 10 a 15 minutos Corona 4 minutosTotal 23 a 28 minutos
!
Gatos hidráulicos usados en el armado del anillo
Para facilitar la colocación de las dovelas se usan los 10 gatos hidráulicos que existen en la parte trasera de la máquina. Estos gatos presionan los segmentos anteriores (a falta de los tornillos de unión). Además usan cunas de madera· para alinear las dovelas durante su colocación.
Liga entre anillos
Una vez armado el anillo se colocan cadenas tensadas v sujetas
Se .ejerce un estricto control de calidad de lonegmentos fabricados y colocados. Si el segmento se rompe de los bordes al extraerlo de los moldes (que es frecuente) se repara pintando epoxy sobre el área y rellenando con una mezcla de epoxy y arena. La rnisma operación se ejecqta con los segmen. tos que están colocaaos y que por diversas razones se rompen. 'No se permite colocar segmentos da- . nadas a menos que Jos danos· sean mínimos.
máquina, alimentando aire fresco y extrayendo aire viciado del frente (sobre todo el polvo producido por la rotación del cortador).
tructura para colocación de la tubería de ventilación (a un lado de la rampa).
1.7
las secciones de ·la estructura están conectadas con 3 tornillos a través de tubería; 2 en la parte inferior y uno en la parte superior.
Pro~:;edimiento. de inyección
La inyección de la cubeta se ejecuta a luna distancia aproximada de 45 m atrás del frente colocando primero una inyecdón de tapón. El resto de la inyección se ejecuta en el cambio california eri el que se encUentran las instalaciones para la inyección (aproximádamente 500 m atrás del frente) El cemento se atrae en seco usando los carros Moran Se emplean bombas Moyno para inyectar.
También se observaron; las instalaciones eléctricas en. la parte trasera de la estructura, instalaciones para inyección de gravilla e inyección de lechada y estantes para colocación de materiales de uso continuo.
1.8
las ruedas laterales para estabilizar el frente son de 4" de espesor por 12" de diámetro y 3 por conjunto.
Control topográfico
Se lleva a cabo con dos rayos láser localizados a media sección en ambos lados del túnel (cada uno con su tarjeta respectiva). Este control se usa parael avance de la máquina y pára la colocación de segmentos. En el tiempo de nuestra visita estaba en operación solamente el lado izquierdo debido a la curva del trazo de proyecto y el procedimiento para obtener resultados es el· convencional, medición de distancias de refere.ncia a base de cinta y plomada.
El sistema de ventilación es bastante novedoso, consiste en un brazo erector en el cual se coloca un tubo de ventilación el brazo levanta el tubo y lo coioca en la posición para ser to~ mada por una estructura tubular que se abre y cierra (puertas tipo "Bombay"). Una vez que la estructura se cierra, el tubo queda en su interior deslizándose en forma telescópica. Esta tubería es de 48" de diámetro.
1.9 Colocación de vía
Como sistema de ventilación adicional, sobre ambos lados de la estructura se encuentran instaladas líneas de tubería de 24" de diámetro que llegan prácticamente hasta et frente de la
Conforme el tren es movido hacia adelante se van colocando tramos de riel de 3.0 m de longitud.
90
COSTO DE TUNELES
V. Hardy Mondragón
1. · INTRODUCCION
lidad para que las consideraciones de cotización coincidan con lo que realmente se erogará. ·
El hablar sobre los costos en cualquier proceso de construcción ingenieril implica un amplio tema que presupone que se ha partido de una base sólida del conocimiento de los métodos de construcción equipos, sistemas de información geológicos, estructurales, de mecánica de rocas y uso ~e explosivos, concretos, etc.; en donde el principio y el fin de la planeación y ejecución de la obra nos dará una base de presupuesto, un ordenamiento de actividades y su corrrelación con los gastos que ello representa así como el testimonio escrito de las variaciones que dichos gastos tienen en el transcurso de los. trabajos. Esto es en sí lo que implica utilizar el término "costos" en un sistema de trabajo de construcción. Se dice que presupuestar una obra de excavación de un túnel, es el arte· de plasmar todo un proyecto en papel, evaluando adecuadamente los costos de la construccióf! planeada en todos sus conceptos.
Esto, implica un conocimiento a fondo de los procedimientos de construc'ción, los ejemplos idóneos de acuerdo a las diferentes características de la obra, el factor tiempo y la combinación que se haga de todos ellos para optimizar los recursos dentro de un costo que quede circunscrito en los parámetros fijados en la planeación. La persona que realiza esta función primordial en ~ualquier proyecto debe tener ciertos atributos, aún cuando de nuestro medio son perfectamente identificados los conocedores de . la materia. Sin ir más lejos, se ven en cualquier visita que se ' hace para concursar una obra y ahí evalúan todos los efe: mentos que son de importancia e incidentes en sus apreciaciones para cotizar los diferentes conceptos de obra que se especifiquen; tratando de incluir en ellos todos los elementos que representan una erogación. Los atributos a que hacíamos mención; aun cuando son cualidades que el sentido común y la misma esencia de la actividad presuponen, pueden enmarcarse en los siguientes conceptos.
Para ello se debe escoger el método de construcción de túneles más adecuado, dependiendo de· la relación estratogeológico-sección-programa. Es obvio que habiendo diferentes equipos, formas de ataque, condiciones de tiempo y terreno, no se pueda hablar del método más eficiente, seguro y costeable sino más bien de qué sistema puede resultar más adecuado y hacer el presupuesto más competitivo en una licitación pública. El costo estimado de cualquier proyecto debe incluir costos de equipo, mano de obra, materiales, refacciones, supervisión y escalamiento de precios dependiendo de la duración de. la obra. En este último aspecto (escalamientos) debe de tratarse como un tema especial y motivo de un ahálisis por separado debido a los drásticos movimief)tos económicos que en la actualidad afrontamos. Contingencias normales, utilidades, seguro, intereses y otros no son considerados en este costo, ya que siendo estos costos indirectos, su incidencia recae directamente sobre el precio de venta y no en el costo real del trabajo ejecutado.
a)
Educación, integridad y temperamento. Tiempos definidos de trabajo para la presentación de la cotización exigen del "ingeniero de costos" o encargado del departamento de concursos de un estricto control de la información y de la utilización del tiempo disponible en una forma que programe sus actividades con una visión de asignar la importancia y el peso que tiene cada concepto de la obra en cuestión.
b)
Conocimientos de geología. El tipo de material de que se trate asi como su comportamiento normarán la forma de ataque y el equipo que se propondrá.
e)
Preparación de programas. Un buen programador combina y agrupa actividades y operaciones de una forma lógica y económicamente factible. E.l programa o programas nos fijarán frentes de ataque, númer:o de equipo, programa de abastecimiento de. materiales, explosivos, refacciones, etc. El programar implica una visión total del proyecto sin perder de vista los detalles. Los detalles conforman un buen presupuesto, pero una programación integral debe de abarcar todos los detalles y no que los detalles controlen al programador.
Cuál es er objeto entonces de un presupuesto en un túnel, sino que el tener una base sólida para poder licitar una obra y obtener una utilidad razonable. Ahora sí podemos decir que si se quiere entrar al grupo de constructores en excavaciones en roca es necesario proyectar y planear una obra determinada de tal forma que sus costos sean lo más apegados a la rea~
91
d)
Conocimientos de métodos de construcción y equipo. Es obvio que se debe estar al día con las técnicas y equipos existentes.
e)
Conocimientos de costos. Tanto operativos como de aspectos legales-laborales, fiscales, hacendarios y de diferentes métodos y sistemas constructivos.
f)
mación del costo, que el concepto que mayor peso tiene es · la mano de obra y el hecho de que este costo varía con la velocidad de avance, procedimiento constructivo y tipo de equipo. Los pasos que se recomienda que se sigan en una estimación de costos para un túnel, son los siguientes:
Desarrollo de formatos, nomogramas y matrices. Que incluyan y relacionen conceptos varios de tal forma que exista una correlación de éstos con los costos y a su vez de los conceptos y su costo con los registros contables de la empresa.
g)
Fianzas y seguros. Esto permitirá que se consideren estos conceptos en los costos que los mismos representen en los diversos incisos de obra y de actividades.
h)
Reglas de seguridad y ope~ación. Estos puntos varían dependiendo de las diferentes dependencias, países y tipo de materiales .por excavar. Por ejemplo, ventilación (caustión o esquistos versus granito, diorita, lioleo empacado, etc.), sistema de aislamiento eléctrico, cantidad de agua, protección adicional en zonas de falla probables, etc.
i)
Conocimiento de histórica. En otros túneles y situaciones pasadas, así como visitas a obras en proceso y literatura pertinente de otras obras que no son sino experiencias. · ·
2.
FORMAS PARA ESTJMACION DE COSTO
a) b) e) d) e) f) g) h)
Estudio de planos y especificaciones. Inspección del sitio. Revisión geológica. Catálogo de conceptos. Cotizaciones de materiales y subcontratos. Salarios de la mano de obra. Procedimiento de excavación. Selección del equipo. i) Planeación de la excavación y preparación de un programa de construcción. j) Instalaciones y planta de construcción. k) Estimación del costo de la mano de obra de la excava-· ción .. 1) Estimación del costo de los materiales de la excavación. m) Estimación del costo de la mano de obra del revestimiento. n) Estimación del costo de los materiales· del revestimiento. 1'1) Estimación del costo directo de otros conceptos del catálogo. o) Tabulación de los costos directos .. p) Estimación del costo de las instalaciones y equipo. q) Estimación del costo indirecto. r) Estimación de los costos de campamento. s) Escalación. t) Tabulacióri del costo total estimado. u) Información a niveles superiores.
Hay· muchos métodos para preparar la estimacion del costo de un túnel, teniendo cada uno sus propias ventajas respecto a los otros. Algunos ingenieros de costo solamente estiman el costo de la mano de obra, materiales y equipo para cada uno de los conceptos de trabajo, y luego se toman en cuenta el mantenimiento, supervisión, instalaciones y reparaciones.en una forma global; estos elementos del costo, se prorratean post~riormente entre los conceptos de obra. Este método de costeo. no es muy recomendable; ya que a mayor importe a prorratear menos precisa será la estimación de los conceptos de obra.
A continuación, se desarrollan brevemente cada uno de los pasos sugeridos.
a)
Cuando se hace la revisión de estos documentos, debe tenerse en cuenta el hecho de que son del cliente y que fueron escritos para su beneficio y que se interpretan y se harán cumplir por ~u supervisión.
El formato para la estimación de costos debe disef'larse de tal forma que sea sencillo de llenar y al mismo tiempo sirva de guía para la contabilidad de los costos de producción. Si la contabilidad de costos se apega al catálogo de conceptos y viceversa, será más sencillo para el ingeniero el comparar sus costos reales con los costos estimados y así ejercer un. mejor control sobre el trabajo, además de que se puede crear un archivo que sirva para futuros proyectos.
3.
Estudio de planos y especificaciones
Se debe poner especial cuidado a las cláusulas generales y especiales propias del proyecto para determinar si hay formas en que el contratista pueda incrementar sus precios, y si hay cláusulas que permitan el alargamiento del tiempo de ejecución en el caso de condiciones geológicas diferentes, huélgas, condiciones meteorológicas, etc.
PASOS QUE St DEBEN SEGUIR EN lA PREPAC/ÓN DE UNA ESTIMACION DE COSTO
Las condiciones de pago y los conceptos del catálogo deberán revisarse para determinar si hay provisiones para pago al contratista por movilización y demovilización, si el cliente hará retenciones y en qué porcentaje, cómo y cuándo se harán los pagos y si éstos son en base a precios unitarios o cantidades de soportes de acero, el ademe y la inyección de contacto en algunos casos, constituyen algunos de los riesgos que se pasan al contratista, y éste debe reconocerlas al preparar su propuestac/
Los pasos que se siguen e~ la estimación del costo de ~n túnel, están interrelacionados, por lo que los factores que Se empleeri en uno de los pasos puede afectar las decisiones que se tomen en otras. Esto hace imposible el preparar una estimación del costo en el orden exacto en que se presenta a continuación y requiere una revisión continua de todos los pasos precedentes cuando se ha terminado con uno adicional. Debe tenerse en cuenta cÚando se prepara una esti-
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los planos y especificaciones deben reunirse con mucho cuidado para determinar si hay costos adicionales en la constr.ucción. Estos costos pueden resultar de la propia localización del proyecto o de consideraciones constructivas especiales. Un ejemplo típico de este último caso, podría ser el siguiente:
te el terreno, si se hace una buena estimación de la velocidad de avance, la obra generará ~inero. Toda la información geológica que pueda obtenerse del cliente y de agencias dedicadas a este tipo de estudios, deberá interpretars.e Y\estudiarse en relación al túner que se va a excavar.
los portales de un túnel de desvío pueden estar localizados bajo el nivel del agua; para trabajar en seco, será necesariO construir ataguias, o dejar una cierta longitud de túnel sin ex- . cavar para que sirva como tapón. Si se erilplea este último método, el tapón del;lerá removerse al terminar la excavación. Todos fos costos adicionales que ocasiona el procedimiento constructivo empleado, deberán tomarse en cuenta en esta fase de la estimación del costo.
En la construcción de túneles: la naturaleza del material afecta todas las fases del ciclo de trabajo inCluyendo la velocidad de barrenación y rezaga, cantidad de ademe, sobreex· cavación y manejo del agua.
b)
Inspección al sitio
..-/
d) Catálogo de conceptos
la visita detallada al sitio debe realiz.arse una vez que se han estudiado todos ios planos y se han entendido las especificaciones. En este viaje de inspección, debe ponerse especial cuidado a los puntos que pueden· causar problemas especiales en el desarrollo del trábajo. Siempre es/ aconsejable llevar un juego de los documentos de licitación para aclaraciones en el sitio mismo de dudas que puedan surgir. Se recomienda que se ponga especial atención a los siguientes as· peétos: 1.
Poblados cercanos para oficinas y alojamiento.
2.
Acceso al sitio del proyecto.
3.
Facilidades de energía eléctrica y agua.
4.
El sitio donde se t>xcavará_n los portales deberán examinarse para estimar los costos necesarios y qué tipo de excavación y método de estabilización de taludes será necesario empléar.
5.
Tiraderos de desperdicio su localización, acceso y tratamiento.
6.
los bancos de materiales para producción de agregados deben ser analizado_s en su calidad y potencia probable caminos de acceso, área para almacenamiento, y distancia a las plantas de producción de concreto o de trituración.en su caso.
7.
Todos los datos correspondientes a la geología del túnel sobre su eje deberán ser cuidadosamente examinados ya que tendrán influencia sobre la selección de equipo, méto- . do de soporte y velocidad de avance.
8.
los salarios y la disponibilidad de mano de obra calificada y no calificada cercana, así como los sindicatos que operan en la región y Jos pagos que por regalías se deben hacer, deberán tomarse en cuenta para el cálculo de los costos. Asimismo se debe hacer un estudio de mercado para determinar la disponibilidad de materiales y equipos y refacciones.
e)
Revisión geológica
Debe también tomarse en cuenta la. experiencia que se haya tenido en túneles de la región, ya que es muy probable que se encuentren problemas similares.
En cualquier discusión sobre el catálogo de conceptos, es necesario definir perfectamente tres términos: volúmenes de .obras estimados .. volúmenes más aproximados sobre el pro· yecto. 1. . los. volúmenes de obr;Í estimados son cantidad{!s que se toman de los planos de licitación y las especificaciones y representan para el contratista los volúmenes más aproximados sobre el proyecto. 2.
los volúmenes de licitación son las cantidades impresas en las hojas del catálogo de conceptos. Estas cantidades las proporciona el cliente y se emplean para tener una base consistente en la comparación de oferta. los volúmenes de l-icitación multiplicados por los precios unitarios, resultarán en el importe total de la propuesta.
3.
los volúmenes de pago finales son cantidades de materiales medidas durante la construcción. los volúmenes de pago finales multiplicados por el precio unitario de la oferta, darán el importe del pago total al contratista.
los volúmenes de la obra que se obtienen de planos, especificaciones y visitas al sitio deben ser Jo más aproximado posible por las siguientes ra;zones:
El factor controlante en la planeación y cálculo de la excavación de un túnel es la velocidad de avance promedio que se pueda obtener. Uno de los factores aleatorios que más afecta la velocidad de avante es la naturaleza del material que se va a excavar. Tomando en cuenta la dificultad que presen-
1.
Son necesarios para verificar Jos volúmenes de licitación. En cualquier concepto donde las cantidades de pago finales vayan a ser menores que los volúmenes de lici-. tación, el prorrateo del costo a este concepto debe mantenerse a un mínimo o el contratista no será propiamente reembolsado por este costo.
2.
Son necesarios los volúmenes de obra estimados para determinar el número de metros lineáles que van a ser soportados por diferentes sistemas de ademe, así como su separación. Una vez determinada la longitud de túnel que requiere soporte, se puede calcular el número total y el peso. los volúmenes de obra así determinados, tienen influencia sobre los costos directos de la excavación del túnel, ya que un túnel.ademado es más costoso que uno no ademado.
3.
los volúmenes de obra estimados son necesarios para determinar la sobreexcavación. El .costo de la sobreexcavación, y el concreto adicional que se requiere para rellenarla, no son conceptos de pago por lo que se deben estimar volúmenes para el cálculo del costo. Estas cantil
93
dades deberán tomarse en cuenta para el cálculo de la capacidad del equipo de construcción. 4.
5.
e)
mera decisión importante que debe hacerse, es respecto al procedirn iento de construcción.
Los volúmenes de obra estimados son necesarios para determinar el número de metros cuadrados de formas para vaciado de concreto y la relación de metros cuadrados de forma por metro cúbico de concreto para . trabajos diferentes al revestimiento. Mientras más delgada y compleja sea una sección de concreto, mayor será fa relación de forma (m2 formafm3 de concreto), y debido a este pequeno volumen y complejidad, mayor será el costo de colocación.
De acuerdo a la sección por excavar, a la naturaleza del terreno y a las condiciones generales del sitio, deberá elegirse el procedimiento de construcción del túnel, que puede ser: 1.
a) Que las condiciones geológicas no sean cambiantes.
Los volúmenes de obra estimados se emplean cuando el . costo de una operación se divide entre la cantidad de trabajo a ejecutar para llegar al precio unitario que se concursará. Esto resultará un costo unitario más aproximado que si los volúmenes de licitación son los que se toman en cuenta. Cotizaciones de materiales y subcontratos
Para preparar una estimación del costo no debe perderse mucho tiempo en el cálculo del precio de los materiales o subcontratos; pueden emplearse costos pasados con factores de actualización para hacer el estimado. Las cotizaciones de materiales y subcontratos deben solicitarse de inmediato un'a vez que se tienen los documentos de licitación. La única ventaja que ofrece la subcontratación en un túnel, es que el contratista puede dedicar todo su esfuerzo en el propio túnel, otra ventaja puede ser que la subcontratación de un trabajo fija el precio de ese trabajo antes de que se presente la oferta. · f)
El tabulador de salarios es normalmente uno de los principales documentos que se producen, y que debe circularse atodo el personal que tiene ingeniería en el cálculo de los precios unitarios. Además de los factores que comúnmente tienen influencia en el cálculo de los salarios (IMSS, Ley Federal del Trabajo, Impuestos, INFONAVIT, etc.), deben tomarse en cuenta los siguientes factores: Costo por hora efectiva.
2.
Porciento de horas extras debidas a: a) Cambios en el material de la frenta. b) Tiempo de viaje a la frente. e) Previsión para horas de alimentos. d) Tiempo extra.
3.
Bonificaciones por avance.
4.
Factores de salarios mínimos y de condiciones locales.
5.
Pagos por viáticos, ayudas alimenticias, etc.
6.
Gastos médicos en caso de no existir las facilidades para emplear las que ofrece el Estado.
g)
Procedimiento de excavación
b) Que se disene el cortador en función de la roca que se va a cortar. e) Que el túnel sea lo suficientemente largo para garantizar la amortización de la máquina. d) Que el túnel tenga sección circular.
2.
Minero continuo: Utilizable en túneles en que la roca no es muy du'ra y el número de cambios de posición no es demasiado respecto a la sección transversal.
3.
Jumbo de barrenación: Para el método convencional cuando la sección garantice su plena utilización.
4.
Perforadoras: Normalmente de pierna, y en secciones pequenas o cuando se use el método de túneles piloto, galerías, frente en túnel y banqueo, etc.
5.
Escudos: Utilizados para excavar en suelos blandos, ya sea de frente abierta, cerrada, bentonita, con plataforma, extendibles para efectuar la excavación o números continuos montados y también pueden emplearse con aire comprimido.
El tipo de equipo que se decida emplear: dependerá en gran medida del procedimiento de excavación que se elija: top heading y banqueo, sección completa, túneles piloto, galerías múltiples, etc., y tendrá una gran influencia en la velocidad de avance que se proponga dar.
Salarios de la mano de obra
1.
Topo: Utilizable únicamente $i se cumplen las condiciones siguientes:
El siguiente paso para determinar el procedimiento constructivo es la determinación de frentes que deben abrirse para cumplir con el programa del cliente. Cuando se tunelea con el método convencional, un programa tentativo debe ser desarrollado de tal manera que el número de frentes para terminar los trabajos dentro del tiempo límite del contrato pueda ser determinado. En el método convencional, el número y localización de las frentes tienen una gran influencia en el costo y debe entonces prepararse un estudio de costo aproximado para determinar el número óptimo de frentes y su localización. Los análisis préliminares de tiempo y costo deben ser tabulados en forma tal que se puedan comparar los avances y los costos para que se pueda elegir la solución óptima. Se deben tomar en cuenta factores como frentes dobles, frentes alternas, accesos y lumbreras. Si la mejor solución es a base de un acceso o una lumbrera y estos trabajos no forman parte del ·catálogo de conceptos, deberán tomarse en cuenta como parte del costo de la planta de construcción. Como normalmente el tiempo para presentar una oferta es muy corto, la experiencia y las tablas. que se publican en di-
Después del estudio de planos y especificaciones, visita al sitio y revisión de las características físicas del material, la pri-
94
ferentes libros, deben ser tomadas en cuenta para la preparación de este estudio preliminar. h)
cuadrillas para resolver las interferencias que pudieran surgir. i}
Selección del equipo
El siguiente paso es la elección del tipo y cantidad de equipo y planta de construcción requerida y la estimación de su costo. En la selección de equipo para un túnel se debe11 tener en cuenta Jos objetivos: el contratista tiene como principal objetivo el llevar a cabo el trabajo en el menor tiempo posible y al menor costo. Estos dos objetivos están interrelacionados ya que aproximadamente el 80% del costo de la construcción de túneles es mano de obra, materiales, operación de equipo y rentas de equipo; estos elementos del costo son función directa del tiempo de construcción.
Debido a que la velocidad de avance y la selección de equipo están íntimamente relacionadas una vez que el avance ha sido determinado, se hace necesaria una revisión y ajuste a los cálculos hasta ahora realizados. 1.
la longitud de barrenación tiene una influencia definitiva en la velocidad de avance, y esto dependerá en gran medida de la longitud de túnel que pueda excavarse sin necesidad de soporte. Tiene influencia también el tipo de diagrama de barrenación que se seleccione, y é~te una vez definido habrá que probarlo en campo, y ajustarlo de tal forma que se aproveche al máximo la longitud total de cada barreno. De lo que se trata en este caso es en bajar el coeficiente de barrenación (metros cúbicos/metro lineal) para ahorrar tiempo en el ciclo y hacer una barrenación eficiente.
El costo de la mano de obra por metro lineal es independiente de la longitud y varía únicamente de acuerdo al tipo de equipo empleado. De manera similar mientras más corto sea el túnel se puede gastar más en mano de obra para reducir la inversión en equipo. la planta de construcción y el equipo que se requieren para diferentes métodos de construcción de túneles deben seguir el siguiente criterio: El equipo seleccionado debe cumplir con el métod'o de excavación más económico.
2.
E1equipo debe ser adecuado al tipo de terreno que se va a excavar.
Velocidad de avance con el método convencional La velocidad de avance con este método estará determinada por la eficiencia del ciclo de construcción y el número de ciclos que se puedan hacer en un día de trabajo efectivo.
Cuando se selecciona equipo para construcción de túneles, a mayor inversión en equipo, menor costo de la mano de obra. El equipo de construcción para túneles es una inversión fija, de forma que la depreciación por metro lineal de túnel decrecerá a medida que la longitud del túnel se incrementa.
1.
Planeación de la excavación y preparación del programa ·de construcción
Una vez determinados los tiempos del ciclo de trabajo el número días por frente para un frente, frentes alternos, y para frentes múltiples (según sea el caso) deberá ser tabulado para fines estimati.vos. Deberán tomarse en cuenta los tiempos que toman todas las operaciones en cada caso para proceder a evaluar los diagramas de cuadrillas y obtener la velocidad de avance correspondiente.
3. . El equipo debe estar balanceado de acuerdo al volumen de trabajo.
2.
Velocidad de colado Normalmente el costo del revestimiento de un túnel es de Jos conceptos que menos se toman en cuenta cuando se hace el estimado de costo de un túnel. Por esta razón, muchos contratistas tienen mayores utilidades en la fase de excavación que en la de revestimiento. Es recomendable que el avance del revéstimiento sea calculado separadamente en cada una de las operaciones que se mencionan a continuación para hacer un cálculo adecuado del ciclo:
4.
Debe haber el suficiente número de equipos para cumplir con el programa.
5.
El equipo debe estar balanceado en todas las fases del ciclo de trabajo.
6.
El equipo debe ser capaz de cumplir con los requerimientos que impone la sección transversal del túnel.
7.
El equipo debe cumplir con todas las normas de seguridad -reglamentos aplicables.
8.
Dependiendo del tipo de roca excavada en el método convencional se deberá tener en la frenta el número de perforadoras óptimo de acuerdo al balance de equipo que se haya calculado. El tiempo muerto de equipo de construcción representa un costo no recuperable.
Remoción de la línea de ventilación.
El equipo para revestimiento del túnel deberá seleccionarse de tal forma que las operaciones de producción, transporte, colocación, longitud de la forma, velocidad de vaciado, etc., estén balanceadas y den la producción requerida. Mucho cuidado deberá tenerse si las operaciones de excavación y revestimiento se llevan a cabo simultáneamente para no entorpecer los ciclos de cada actividad. Se recomienda el uso de diagramas de
Manejo del agua.
9.·
Reajuste de marcas de acero; reademado y ajustes generales de sistema de soporte. limpiezas del túnel.
Concreto en clave y cubeta. Inyección de baja presión. limpieza final. Tiempo requerido para ensamblar el equipo y principiar cada operación.
95
los tiempos requeridos para las operaciones anteriores deberán tabularse para calcular los diagramas de cuadrillas y de aquí pasarán al programa general de construcción de tal forma que el tiempo total de construcción pueda ser determinado. j)
Madera. Desgaste de elementos de corte. los materiales que varían de acuerdo al tamano de la cuadrilla son:
lnstal¡iciones y planta de construcción
Una vez que se ha localizado el sitio de la obra, se puede estimar la planta y las instalaciones necesarias para llevar a cabo los trabajos. Algunas de las obras que puede ser necesario construir incluyen caminos de acceso, alojamientos, oficinas, talleres, plantas de energía eléctrica y de agua potable. Si en el catálogo de conceptos aparecen estos trabajos deberán entonces tomarse como costos directos, de otra forma se cargarán a planta de instalaciones como una parte del costo indirecto que se prorrateará en la obra. k)
Botas de hule y equipo de protección. Herramientas pequenas. Equipo complementario de acuerdo a las condiciÓnes de la frente. Los materiales que varían de acuerdo a la longitud del túnel son: Tuberías de agua y aire. Válvulas y conexión.
Estimación del costo de la mano de obra de la excavación.
Tubería de ~entilación. · líneas eléctricas.
El costo de la mano de obra de la excavación es el número de días-cuadrilla multiplicado por el costo de la mano de obra por día. Los días-cuadrilla se determinan a partir de los diagramas de cuadrilla. El costo por día-cuadrilla se calcula multiplicando el número de personas de cada categoría por el costo por turno, de acuerdo a lo establecido en el paso f.
Soporte para tubería. Rieles y accesorios. Acero y refuerzo y estru.ctural. Se debe tener una provisión en el costo de Íos ·materiales para pérdidas en inventarios.
El tamano de la cuadrilla se determina de acuerdo al número de perforadoras en la frente trabajando y el avance requerido por día. Para determinar el tamano de la cuadrilla en un túnel es práctica común en separarlos del tiempo efectivo de operación de la máquina o incluirlas en la lista general de personal, de todas formas se puede incluir dentro del costo horario del equipo, pero se pierde el control efectivo· del costo real de la operación.
m)
Estimación del costo de la mano de obra de revestimiento
la misma forma que se emplea para el cálculo del costo de las cuadrillas de excavación se emplea para el cálculo de las cuadrillas de revestimiento. las cuadrillas para el revestimiento varían con cada tipo de arreglo y solamente pueden ser descritas en términos muy generales. Por ejemplo la cuadrilla para colado de clave consiste de personal para realizar las siguientes operaciones:
El tamano de la cuadrilla depende también de la sección transversal, y el método constructivo seleccionado y se maneja en una base por día en vez de por turno, ya que hay categorías que únicamente se requieren durante un turno al día.
Manejo de agregados. Mezcla y carga de concreto.
Del costo por día-cuadrilla se puede obtener el salario, promedio por hombre por día para diferentes tamanos de cuadrilla.
Transporte. Vaciado de concreto al equipo de colocación.
Cuando los volúmenes de obra estimados difieren de los volúmenes de licitación, el costo unitario más preciso se encontrará dividiendo el costo total de la excavación entre el volumen de obra estimado. Este método da el costo unitario más acertado y no penaliza al contratista en la comparación final con otros concursantes.
Operación del equipo de colocación. Movimiento de tubería. Operación de vibradores. Curado y resanes. Mecánicos.
1)
Estimación del costo de los materiales de la excavación
Electricistas.
Además de los materiales comunes como combustibles, lubricantes, aceites,· refacciones, etc., los hay que son especiales de acuerdo al tipo de equipo y al material en que se excavará el túnel.
Operaciones de compresores. Almacenamiento. Topografía.
Los materiales que varían· de acuerdo al tipo de material son:
Ademadores y carpinteros.
Explosivos y artificios.
n)
Acero de barrenación y brocas.
los materiales para revestimiento deben incluir lo siguiente:
96
Estimación del costo de los materiales de revestimiento
Agregados, incluyendo IÓs que se estimen para el sobreconcreto de la sobreexcavación.
q)
La mayor parte de los conceptos del costo indirecto varían en forma directa al tiempo de ejecución, la eficiencia del personal indirecto y el número de reportes que se requierel)por parte del cliente y las oficinas centrales del contratista. Los conceptos que están basados en otros factores son los equipos de oficina, equipo de ingeniería, irnpuestds, seguros y las primas por seguros y fianzas, Las fianzas de cumplimiento y de seguros no pueden ser calculados hasta que el importe total de los trabajos ha sido determinado. La distribución de los conceptos que componen los costos indirectos son como sigue:
Cemento incluyendo el desperdiCio. Madera para los tapones y formas adicionales. Desmoldante y herramientas menores. Energía determinada por la potencia del equip() eléctrico a operar, requerimientos de iluminación y período de tiempo en uso. Combustibles, lubricantes, grasas y nifacciones. Elementos varios para sujeción de la cimbra y sus movimientos. í'\)
Estimación del costo indirecto
1.
Mano de obra:
Estimación del costo directo de otros elementos del · catálogo de conceptos
Supervisión. Ingeniería.
El costo directo de la excavaciÓn y el revestimiento será el que mayor paso tenga en el importe total del trabajo. El costo dé la mano de obra para la instalación de ademe, anclajes, etc., deberá separarse del costo directo de la excavación y deberán asignarse a los conceptos del catálogo de precios ·adecuados. ·
Administración: 2.
Otros costos: Transporte. Instalaciones y adaptaciones.
o) Tabulación 'de costos directos
Teléfono, telégrafo y comunicaciones.
El costo directo de todos los conceptos debe ahora concentrarse en una sola hoja que contenga columnas separadas para mano de obra. materiales, instalaciones y subcontratos. Se sugiere el formato dP la Tabla l. · ·
Gastos y visitas. '-
Licencias. Multas y .recargos.
p)
Estimación de costos de instalaciones y equ.ipos
-
La tabulación del equipo deberá iniciarse cuando se hace la selección. Conforme se av9-nza en la estimación del costo y se va viendo la necesidad de equipos especiales y planta adicional, los costos adicionales deben incluirse en ·la tabt.~la ción para el equipo de construcción.
Equipo de ingeniería. Consultores externos. Regalías por contrato.
La información suministrada por los representantes de ventas y las cotizacionesde los fabricantes son elementos valiosos en el cálculo del cargo por equipo. Debe tomarse en cuenta el valor de rescate dél equipo para una estimación . correcta del costo horario. Si no se hace esta provisión, ade~ más del desmantelamiento y limpieza general, deberá entonces agregarse ur conce~to de costo adicional.
Otros costos varios.
La forma tradicional de calcular el costo del equipo para Integrarlo a los precios unitarios es en base al costo horario, deducido del precio de compra del equipo. Si el equipo es rentado deberá tabularse la renta que se ha cotizado. Tabla l. Descripción· Exca. tú'nel Ademe Madera Anclajes Barrenos iny. Inyección Total
Cantidad 400000 m3 2 óoo 000 ton. · · ·600p.t. 12 000 m.l. 2400m.l. 400 in 2
Papelería. Gastos de viaje y traslado.
3.
Seguros para el personal, equipo y almacenes así como para los vehículos. También deben considerarse los seguros por danos a terceros. ·
4.
Impuestos.
5.
Garantías.
r)
Estimación de los costos de campamentos
Normalmente son de dos tipÓs y usos:
Tabulación de costos directos
Mano de obra Importe Unitario. 100.20 10.00· 120.00 .98.00 38.40 68.36
40080 20000 72 1176. 92 27 61447
97
Instalaciones Importe Unitario 40.16
16064
120.00 36.81 75.52 56.02
72 442 181 22 16 781
Materiales Importe Unitario 76.40 120.00 63.11
152800 72 757
153 629
Campamento de casados: son para el personal con familia y que por razones especiale.s el contratista o el cliente desean tener a pie de obra. Dependiendo de la duración del proyecto se construyen instalaciones para diversión y esparcimiento.
Condiciones geológicas no previstas. El riesgo de esta contingencia puede ser medido de acuerdo a la intensidad del estudio geológico que se haya realizado. ·
Campamentos de solteros: se deben usar únicamente en localizaciones remotas, ya que normalmente se prefiere viajar distancias largas a quedarse en un campamento. Pueden construirse de elementos prefabricfl.:!os y con instalaciones para esparcimiento y recreación.
Actos de la naturalza que no pueden ser previstos; inundaciones, guerras, huelgas, temblores.
Flujos de agua inesperados.
2.
Este es un concepto que por ningún motivo debe descuidarse ya que de la comodidad que tenga el personal dependerá en gran medida que haya una buena supervisión y por consiguiente el avance de la obra será mejor. s)
Los pasos que aquí se han descrito para la determinación del costo de construcción de un túnel, no son necesariamente el único método que existe para hacer la evaluación, pero si propone una forma ordenada para el cálculo. Los factores que influyen en el costo, se verán también enormemente afectados por la forma de contratación que debiera ser diferente a la que comúnmente se conoce, ya que los factores contingentes que lo afectan son difícilmente valuables, y el riesgo no debiera asumirse totalmente por una sola de las partes. El éxito de cualquier excavación de túnel depende en gran parte de una relación cordial entre cliente-supervisiónc contratista; la flexibilidad que exista y la buena comunicación de acuerdo a las especificaciones darán por resultado una buena imagen para todos los participantes del proyecto.
Escalación
Dep~ndiendo de la duración del proyecto de las condiciones
locales y de los índices de costos de mano de obra, materiales y equipos, deberá hacerse una previsión para los incrementos de precios. Aunque actualmente la mayoría de los contratos prevén esta situación, el tiempo que pasa entre los incrementos de precios de los insumas y el reconocimiento por parte del cliente de estos incrementos produce costos de financiamiento que deben ser tomados en cuenta .. Por otra parte los factores de escalación que toma en cuenta el cliente siempre son diferentes a Jos que aplica el contratista, ya que en muchas ocasiones debe acudirse al mercado negro de materiales de construcción para no frenar el avance del túnel. En .caso de que el contrato contenga una cláusula de escalación, ésta deberá estar perfectamente definida en todos y cada uno de sus términos y además reglamentada en su forma de aplicación. Los períodos de revisión también deben quedar perfectamente establecidos. Si se emplea alguna fórmula escalatoria, ésta deberá ser consistente con el tipo de trabajo de tune! que se realice y el procedimiento de construcción que se aplique. t)
4.
Tabulación del costo total estimado
En las gráficas de las figuras 1 a la 14, se muestran curvas desarrolladas para el método tradicional, tomando en cuenta diferentes condiciones del frente de ataque (seco o húmedo), y sí lleva marcos o es revestido, etc. Aunque han sido desarrolladas para experiencias en túneles de los Estados Unidos de América, pueden actualizándose, dar una idea rápida de Jos costos que se puedan tener, para análisis comparativo de alternativas. No se recomienda usarlas para fines de cálculo de precios unitarios.
Información a niveles superiores
Cuando se han terminado los cálculos, la información contenida en la estimación de costos debe ser empleada para estimar Jos conceptos que no formen parte del costo pero constituyen información que debe proporcionarse a los niveles superiores para que se determine el importe total de la propuesta. 1.
EMPL~O DE CURVAS PARA LA ESTIMACION DE COSTOS EN TUNELES
Se han desarrollado desde hace dos décadas, curvas para el cálculo del costo en túneles, basados en los parámetros que principalmente influyen en su cálculo. L¡1 experiencia de varios túneles es la que en forma importante ha influido en el desarrollo de estas ·curvas.
La parte concluyente de todo el cálculo del costo de la construcción del túnel es la tabulación total del costo. Esta tabulación debe hacerse de forma tal que la distribución del costo sea fácil y rápidamente comprendida por las personas en los niveles superiores de la Empresa. u)
Inversión y gastos por servicio de deudas:· la forma más sencilla para determinar los requerimientos de financiamiento es la elaboración de un flujo de fondos. Mientras más acettado sea el flujo de fondos, menos será el requerimiento de financiamiento para el proyecto y por tanto menores los costos asociados con este.
La gráfica de la figura 15 fue desarrollada por la Harza Engineering Company, se agruparon parámetros de condiciones de roca de acuerdo a estlldios geológicos, para dar cuatro tipos de condiciones designadas unidades X, Y, Z y DC.; su explicación es la siguiente:
Contingencias: No deben ser incluidas en la 'determina- · ción del costo, pero.deben valuarse para ayudar en la determinación de la cifra túnel. Algunos de los factores contingentes pueden ser:
Unidad X. Comprende 11 parámetros de condiciones de roca, con características generales para su excavación emplean-
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Nivel estimado de avance de excavaciÓn en metros por aía de rrabajo de·24 horas.
Fig. 1.
Avance de excavación por día en distintas rocas y diámetro dt>l túnt>l.
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3. NOTAS: 1) El costo
no incluye marcos de acero·
2) Año base• 1967
3.
11250
15000
187SO
22800
26250
3oooo
33iso
37500
Costo estimado en pesos. por· metro lineal
Fig. 2.
Costo del túnel de acuerdo al diámetro y a la roca en donde se aloja. 100
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Costo aproximaclo ,de excavacion en 'petos
fig. 3.
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93750
por metro lineal.
Costos estimados de excavación básica en túnel, para frentes de avance secos. 101
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Fig. 4.
Costo estimados de excavación básica de túnel para frentes con agua (húmedos).
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O.JII(B+Ht)
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ZOINitol de Gllltr o PfiCOIOdo.
I.IEYIENOA• Car;o <14 roc<1
0.2118 · · o.eo B ..
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CilrCin lit roca -·-·O.!SIB+Ht) caroa dt roca •••••• ·---··· 0:721HB+11t} (;QrQa de roca --(B+Ht) 1.10 toroa de roca flOTA • 8- Aricllli al dia'mitró excavado de lo perfóroclo'n. l4t· Alt·rra al clidrnt'tro tliCOVaclo de· la pel'toraclón, Úatft... ·en todaa taa condiclonea rocoiaa, excepto para tamalloa de perforo~ ·a~n reveatlmlento llqltrlorea a 4.8111. dt diámetro In mattrlalta tKOI trltiii'CI• 111'1! o ro t~r•:eildocloa y · tocloa loa tomoñoa de perforoclcSn en condlclofttl tl\lme. ' ·doa triturada a o no conaolicladaa. El uao de puntalaa de pi~ (grcltica 15) 11 tnclloor9 en 1a1 1101a1 di campo .aolire el utudla oeoiÓ;Ico de alllltamlefttoe del t~nel. St utilizÓ un precio uÍIItOrlo de t5&.a&JI
4.2
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11000
18780
~--~--~--~--~ aoooo U7SO 111100 282150 aaaoo
utlmado de aoporte de actro en 11teo1 por .metro lln.eol.
Fig. 5. . Costo estimado de nervadura tipo herradyra continua dP soporte de acero sin puntal de piso.
103
IJO(B+Ht)
0.7211 B+Ht)
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1
1
1
1
1 Coato 48 zapateta en peeoe par JutQo, .d t nervadUra.
/
Zopatae da
concreto
precolodo.
/,----~~--~----~--~-~ LEYENDA' /
1
carga de roca
0.258
carga Carga Carga carga
0.50 8
de roca de roca de roc:a de roca
0.§ (8+ Ht) 0.725 (8+ Ht) 1.10 ( 8 + Ht J Se supone q.e la roca peta 2 722~ Kg/m 11 Nota' 8- ancho al diámetro acavado de la perforaciÓn. Ht- altura al diámetro excavado de la perforaciÓn. Úsence an todas loa condicionea rocoeaa, excepto poro tamaños de perforación 'ain revestirnllilto supel'iOl'lla a 4.8 m. de diámetro en llllteriales secos triturados ó no conaoliclados. '1 todos loa tamailas de perforación en CDndiciones l1umedas tritura . das ó no coneolicladas. . . .El uso de_ puntalee de piso se indicord en las notas de campo 60bre el tudio. geológico de los alineamientos del túnet. Se utilizó un precio unitario_ de S~colocado (puesto en obra). Precio b se - e
Costo_ estimado de soporte de
Fig. 6.
acero . en
pesos
.por
metro lineo 1.
Costo estimado de nervadura tipo~herradura continua de soporte de acero con puntal de piso.
104
I.IOIB+Ht)
a1
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7.8
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7.5 8.0
7.2 5.7
6.9
4.2
3.9 3.6
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2.7 UJWU..-...--.....iL...---...----.......-~--~-----..--.....,......-...,.--_.
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37e0
7500
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Costo estimado
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15000
de
soporte
187e0
22800' 262!50
de acero en
pesos por
300!)0
337e0
37500
412e0
met•a lineal.
''!Fig.) i'. ,, Costorestirnado placa de csient'o,,nervadura de, soporte de, ;:¡cero y qg pie derecryo (poste);.~in;puntal piso. .·
O.?U!Bolollll
6.1
1.1
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48
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861150
Coato ett imado de aoporte de acero en ptaoa por mt1111 lineal.
Fig. 8.
Costo estimado de nervadura de soporte de acero, placa de asiento y poste con puntal de piso. 106
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ca. Costo IDiitario $ ~~/Kg. . . - en a Se 111pone roca de 2500 Kv m•· Pn!cio base- enem ele 1967.
2.1
~7L-~----------.-------------~------------~--------------~------------~-------------' o 181150 37500 56250 7!5000 112500 Costo estm.do de ·~ · de acero
Fig. 9
e11 peeos par
-tra 1ioftt.
Costo estimado de marcos de acero.
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Bale'
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supone un costo de
$13125 oo /mil pi• tablo'n.
CJ
1967
CJ
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& 2.4
2.1
2.7
o
37S Costo
Fig. 10.
1600 estimado
del
forro en
1876 pesos
2260 I)Or
2G!s metro
3000
3376
3750
lineal.
Costo estimado del forro de madera para túneles. 108
&4r-----------------------------~----------------~~~ &1
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1
1
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1
1
NOTA•
Se aupone un coato de $ 13125.001 mil pi ea tablÓn . Base• 1967.
HZS
aooo :sa78 a78o
4125
4500 4875 152150 5625
Costo estimado de modero en
pesoa
eooo ea1s &75o
7125 7500
por metro lineal.
'Hg. 11. .:costo· estimádo de s,oporte adicional de mad~ra requerido para múltiples •empujes. 109
NOTA•
Se supuso un precio del concreto de $zaooo~m• colocado a linea de pago. El precio incluye lecltodo de cemento detroí del ,._ veatimienlll eatimodo en 0.28-0.47 m1/m. de túnel o un
.
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costo unitario de • 4640.00/ m.
Bale• 1967.
2.1 27
o~----~~~------~~------~~~~e~o~----~~~----~~~----~za~~ de revestimiento
Fig. 12.
de concreto en pesos por metro ·lineal .
Costo estimado de revestimiento de concreto para túneles ademados con marcos de acero. 110
8.4 8.1
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NOTA• Se aupueo un precio del concreto de
$ 22 000.00/m~
colocado o linea de pa;o. El precio Incluye tachada de cementa detnía del revutimiento estimado en 0.28-0.47 rllm. di túnel o un coato unitario de $ 4640.00/m~ Bose• 1967.
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Fig. 13.
!780 18000 18780 11280 Costo estimado de revestimiento de concreto en peaos por metro lineal.
22800
Costo estimado de revestimiento de .conc:reto para túneles sin soporte de acero.
111
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Se aupuao
3.9
colocado a lineo de paga. El precio incluye lecllado
2.7
un precio del concreto de
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de cemento detrcía del re3 estimado en 0.28-0.47m /m. de túnel a un
costo unitaria
2.4
Baae=
$ ?2 000.00/m~
de
$4 640.00 /m~
1967
33 2.1
3.0 2.7
1
1 1.8
o
3750 Costo estimado
Fig. 14.
11250 de revestimiento de conc:reto
15000· en pesas por
metro
18750 lineal .
22500
Costo estimado de revestimiento de concreto para túneles con soporte circular. 112
do topos, en una base competitiv a con los métodos convencionales de voladura.
X
y
Z
DC
Mano de obra
33
39
50
30
Equipo
62
54
38
65
Unidad Concepto
Unidad Y. Comprende 4 parámetros de condicione s de roca que se consideran más difíciles de barrenar y con esfuerzos de comprensión mayores qwe para la unidad X.
Unidad Z. Comprende 9 parámetros de condicione s de roca que se espera sean suficientem ente duros o tan variables en dureza en distancias cortas que se recomiend a únicamente el uso del sistema tradicional . Unidad DC. Se designa con este término a condicione s de roca difíciles, que comprende n fallas y probables deslizamientos. Los costos directos de excavación en roca para los cuatro tipos de roca descritos arriba, se distribuyen porcentual mente en la siguiente forma:
16878
Materiales
12 5 Los costos de mano de obra son proyectos para el método convencion al (Z), y se incrementa n en forma lineal eón el diámetro del túnel, como lo muestra la gráfica de la Fig, 15. Debido a este hecho, los nuevos métodos tienen, como comparación un considerab le margen para empleo de energía adicional, equipo más eficiente y otros factores. Entonces', para un método de fragmentac ión, la mano de obra puede ser reducida, logrando mayores velocidades de avance a menores costos, esto, desde luego condiciona do a la longitud del túnel que garantice una inversión grande. 5
7
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1!5000
13125
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112!50
§.
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Oior~•etro
de exeovoeion
en metros.
Fig. 15.
Costos de excavació n para roca tipo X, Y, Z y DG.
113
PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION PARA LA EXCAVACION DE TUNELES
J.
Huidobro
'"La Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos y la Secretaria de Comuoicaciones y Transportes asi como la Sociedad Mexicana de Mecánica de Rocas y la Asociación Mexicana de Vlas Terrestres, tienen por norma no reproducir, folletos ni catálagos, pero tomando en cuenta que el trabajo que se presenta en este articulo es de interes didáctico y que el principal objetivo de las Agrupaciones que Organizaron el Seminario de Tuneles Carreteros, es difundir los conocimientos de esta especialidad, se tia considerado conveniente hacer una excepción e inc:lulr el trabajo en estas memorias. 1. GENERALIDADES 2. Locomotoras de mina 3. Vagonetas De los factores que influyen en la decisión del procedimienTUNELADORAS (TOPOS) DE ATAQUE A SECCION to de construcción que se deba utilizar, los más sobresalien" tes son:, COMPLETA a)
Caracteristicas de la roca
Llamamos tuneladoras de ataque a sección completa a aquellas máqt,Jin.as de excavaciól"! de túneles cuyo trabajo se efectúa por ataque simultáneo de toda la cara del frente, un poco a la manera en que un topo abre su galerla, motivo por el cual frecuentemente se da a estas máquinas el apelativo de "Topos".
Dureza Tamaf'lo de grano Tenacidad Abrasividad
Como todas las máquinas que operan en subterráneo, la aptitud de las tuneladoras de ataque a sección completa al trabajo a realizar, depende de numerosos factores los más importantes de los cuales son los párám,etros del terreno: resistencia, com· posición granulométrica, abrasividad y propiedades flsicas. De ahl el gran número y diver~idad de máquinas existentes.
Estructura Homogeneidad b) e)
d) e) f)
2. a)
Tipo de sección por excavar Dimensiones del túnel Equipo disponible Programa de construcción Disponibilidad de mano de obra especializada
Un primer intento de clasificación de estas máquinas ha de considerar el tipo de sección en la que operan: sección circu· lar o sección rectangular.
DESCRIPCION SOMERA DE LOS DIVERSOS EQUIPOS FUNDAMENTALES
Las tunefadoras de sección circular disponen de una cabeza rotativa equipada de elementos cortantes (dientes, moletas, discos, fresas, etc.) que atacan el frente de manera continua. La ,cabeza recibe dos tipos de movimiento: uno circular de corte y otro lineal de avance. Este último es procurado por unos gatos hidráulicos que avanzan a cabeza respecto al cuerpo firmemente bloqiJeado en fa sección mediante, otros gatos. Algún modelo en lugar de elementos cortantes sin movimiento propio monta un tren hepicicloidal de fresas con,movimiento rotativo independiente del de la cabeza. Cuando los gatos de avance de la cabeza han finalizado su carrera, se retractan, se desbloquea el cuerpo de la tunefadora y se avanza el conjunto un paso e9uivalente a la carrera anterior, con lo que la máquina vuelve a estar en posición de corte.
Para ataque a sección completa Topos
1. b)
Para ataque selectivo Por corte Por impacto
1. 2. e)
Para ataque por barrenación Jumbos con brazos de perforación Brazos hidráulicos de perforación y dispositivos auxiliares
1. 2. d)
Cargadores Cargador-Transportador (LHD) Cargador autocargable Cargador minero de cucharón De cuna con vertido trasero De cuna con vertido a transportador De vertido delantero o lateral 4. Cargador tradicional
1. 2. 3.
e)
Las tuneladoras de sección rectangular montan dos o más cabezas rotativas con los útiles de corte repartidos en brazos. Como de no portar mas que las cabezas rotativas la sección resultante seria una serie de circulas secantes, estas máquinas .disponen también de un dispositivo de escuadrado consistente por lo general en una cadena o un tambor cortan· tes.·Contrariamente a fas tuneladoras de sección circular, es· tas máquinas van montadas sobre un tren de rodaje de orugas.
Acarreadores Acarreador minero auto propulsado
1.
114
,
Paso 1 • lnlélo.dei .. ido. la mAquina apoyada, piernas def:s,bporte trasero ret~aldas
Paso 3 Inicio del ciclo posicionado . La má· quina suelta, piernas de SC)porte trasero extendidas ·
Paso 2 Terminación del ciclo. la máquina apoyada; el cabezal extendido .Piernas de soporte trasero retraldas
Paso 4 Terminación del ciclo de posicionado. La máquina suelta, el cabezal retraldo. La máqui.na está lista para apoyarse e ini· ciar otro ciclo
115 "
Esquemas del proceso de trabajo del topo WIRTH'
Fig. 1 Máquina con tensión. npoyos de so¡::ortc recogidos, comienzo de 1~ perforacoón
Fig. 2 Carrera terminada, fin de perforación
'1=ig. 3 Apoyos soportes en tensión, apoyos laterales recogidos ,.l
Fig. 4 Orientación de la máquina con el apoyo trasero, máquina sin tensión
Fig. 5 Máquina en tensión. apo!fos soportes recogidos. comienzo ·a., nueva perioración
116
quinas de ataque global. El dispositivo de arranque puede ser de diversoHip()s: cabeza dentada cuyo eje de g.iro es paralelo al frente (tambor); cabe2a dentada cuyo eje de giro es nor· mal al frente; fresa con eje de giro normal al frente; línea de fresas cuyo eje de giro es paralelo al frente; hélice dentada con eje de giro paralelo al frente; rosario de cadenas denta· das.
MAQUINAS DE ATAQUE SELECTIVO Las máquinas de ataque selectivo realizan su trab~jo~ en el ffente de manera secuencial y no global como los topos. De acuerdo con el procedimiento de ataque han de distinguirse dos tipos principales: ataque por corte y ataque por impacto. Las máquinas de ataque selectivo por corte disponen por lo general de una cabeza provista de piCas, cuya dimensión es pequeña en relación con la sección de la frente. Esta cabeza está situada en el extremo de un brazo orientable que realiza el barrido selectivo a través de toda la superficie del frente, por lo cual el tamal'lo y forma de la sección abierta es muy versátil. Tanto la-fuerz~de.empuje de las picas como la producción de material arranCado es inferio.r a la de las má-
Lás máquinas de ataque selectivo por impacto llevan monta· do un martillo neumático en el extremo del brazo de barrido, y el arranque del material se produce por el golpeteo del útil. Este tipo de máquinas van montadas generalmente sobre un tren de orugas que les permite una gran facilidad de desplazamiento.
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AM100
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Datos técnicos más importantes: Altura ........................ . Anchura de la máquina sin rampa de carga ......................... . Anchura del dispositivo de carga .. . Longitud ...................... . Peso .......................... .
117
1 750 mm 3 000 mm
3.7 m, 4.6 m, 5.5 m 11 900 mm aprox. 70 t.
Máquinas de ataque selectivo por corte
MAQUINAS DE ATAQUE SELECTIVO POR
118
~ORTE
M6qulnaacl8...__por_
La Luchs' es el mayor modelo de la serie de ras fr!ilsadoras-cargacloras Westfafra y es capaz de arrancar rocas de hasta 500 daN/cm2 de resls~ tencia. La Luchs se diferencia de los demás tipos de la serie por montar en el extremo de su brazo mientable un motor eléctrico de 90 kW que eTNia la energía directamente a la cabeza de corte. El transportador.de racletas del brazo cortador conduce el material arrancado al brazo cargador · trasero. La máquina móvil puede superar pendientes de un 58 por ciento y fresar frentes dé hasta 28 m2 sin cambiar el emplazamiento. La Luchs ha sido dise~ada tanto para el arranque en explotaciones subterráneas y a cielo abierto como para el avance de galerías y túneles ya que con esta máquina pueden abrirse secciones mínimas de 3.2 m de diámotro o de 2,6 m de anchura por 2,5 m de altura. Peso operativo Potencia total instalada Velocidad de traslación
......
......
Presion de las orugas sobre él suelo Pote-ncia de accionamiento en ta cabeza de corte
24t 150kW ·o-1,2km/h 1,2daNicm• 90kW
H = L = . e, -
2280 8780
2300
SB •
3200
JI
4840
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AH
= 1700-:I4CIO
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Dimensiones en mm.
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1 537 mm 1 563 mm 2 000 mm 6 890 mm aproxo 12 t.
Hagg!oader, 9HR !
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CARACTERISTICAS GENERALES Potencia a base de aire comprimido Velocidad de avance (propia potencia) · Peso bruto
20 m/min 11 200 kg.
·Capacidad del depósito de aceite hidráulico Motores de aire, hidráulico Motores de aire, transportador Capacidad· de carga Consumo de aire Presión necesa,ria del aire Diámetro de la tubería de aire Potencia a base de electricidad 2 X 18.5 kw, .380 V, 50 Hz, 1 460 rpm
100 lts. 2 X PA 23 1 X PA 23 2m 3 /min .
35·AO m3 /m in .
6 atm.
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OIGGING WIOTH 2850 rl
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' ALTURA MÁXIMA DEL TRANSPORTADOR DE BANDA . 2080 ~~-~~~0
2275
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1
3380
ALTURA MÍNIMA DEL TRANSPORTADOR D( BANDA
1890
[ 2450
2100
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3450
1 ·.
2130
1900.
1350
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12520
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2850
2520
1
2850
2330
2100
1350
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PosiCIONADo PARA TRANSPORTE
j
1425
2300
2050 1 -
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2210 11500 ·
Friis·Lader lucha®
WESTFALIA LUNEN
lYP FL-6R-110I
/
1
1
b
DIMENSIONES GENERALES Y RADIOS DE ACCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS A1 = 1740mm B = 2600mm s = b = 6800 mm H2 = 4280mm A2 = 2970 mm u = h = 7200mm Ha= 5350mm D = 600mm Aa = 3185 mm H1 = 3300 mm L = 13800 mm 1 = 3200mm Dureza de la roca' Potencia inst::Pada kW N/crnz Cabeza de corte+ accion. adic. (PSI) = total
Capacidad min. transformador I<.VA
4100 mm 870mm
Sección min. de túnel circular
m 111 (ft)
--· --------------+--
8000 (11200)
11 o+ 92 ::: ?.02
250
15-40 (530-1400)
4,8 15'90''
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Máquinas de ataque selectivo por impacto
JUMBOS Bajo la denominación de jumbos entendemos aquellos equipos de minería provistos de uno o varios brazos de perforación y utilizados para la realización de barrenos eri las galerías y túneles. Consistentes esenciaiÍ'nenfe en un cuerpo portante al que van vinculados los brazos y que tiene un sistema de desplazamiento propio o exterior.
cualquier número y combi~ación de brazos. En secCiones más pequenas y con rápidos avances se ut_ilizan portad~res sobre neumáticos o con tren de orugas. Estas máquinas evolucionan hacia el semiautomatismo, de manera que un solo operario puede controlar dos brazos a la vez. Pueden montar martillos rotativos o rotopercusivos, neumáticos o hidráulicos.
los jumbos pueden ser de perforación de barrenos de voladura y de anclaje. los utilizados para la apertura de galerías en material duro (que. deba arrancarse por voladura), pueden · trabajar prácticamente en cualquier tamano de sección. El tipo él e cuerpo portante depende del trabajo a realizar. Para grandes secciones se emplea el pórtico sobre vías, disenado casi ·específicamente para cada trabajo, que puede montar
El jumbo de anclaje se destina al enclavamiento de anclas en el techo de la galería que mejore su estabilidad. Un dispositivo especial de la deslizadera permite realizar el barreno introducir una catga de cementante. resinoso y colocar luego el ancla de fijación. Estas 'máquinas por lo general portan un solo brazo de trabajo y disponen. de un portante sobre neumáticos ..
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PARA SECCIONES DE 10 A 50 M2
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BARRENOS
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DATOS GENERALES AREA DE "1:---,
LA SECCIÓN
AVANCE POR CUELE.
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NúMERO DE BARRENOS
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lONGITUD BARRENADA VoLUMEN EXCAVADO POR TRONADA " Co:::F I CI ENTE DE BARRENAC IÓN
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45,5 M2 . 3,6 M 95 352.4 M
= 163.8 M3 · 2.15 MIM3
BRAZOS HIDRAUliCOS DE PERFORACION El brazo hidráulico es el dispositivo que posiciona el elemento activo (martillo de perforación) en cualquier posición predeterminada del frente. El brazo hidráulico a su vez va montado sobre un jumbo, que puede portar uno o varios brázos. Normalmente, los brazos se montan con la dirección de perforación horizontal. Pero para aplicaciones· especiales pueden montarse en otras posiciones. El brazo está vinculado a su placa de fijación mediante una serie de articulaciones que, dependiendo del modelo, le permiten algunos o todos de ios siguientes movimientos: rotación completa sobre su eje; deflexión angular horizontal; deflexión angular vertical. El brazo en sí puede ser a su vez telescópico con una elongación variable. En su extremo el
brazo porta una cuna sobre la que va dispuesta la deslizadoraque monta el martillo y la barrena. Esta cuna tiene otra serie de articulaciones que permite a la deslizadora: desplazarse respecto a la cuna; girar sobre su eje; una deflexión angular horizontal; una deflexión angular vertical. Todos estos movimientos del brazo se· realizan por medio de cilindros hidráulicos. La unidad hidráulica de accionamiento se compone dei"Clepósito de aceite; una motobomba (po~ lo general' de funcionamiento neumático) y un filtro, además de los correspondientes latiguillos, válvulas y cilindros. Algunos modelos disponen de un dispositivo de paralelismo automático que facilita enormemente la ejecución del esquema de tiro del frente.
R-38
. RP-38 PUNTAL DE EXTENSION CORTO CON ALIMEHTACION TEWCOPICA ·
COif LA PERFORADORA ER LINEA Para techos o rt'!llldos ale los. Se P- ob- mn Pasto leltsc6poto pan .cambilr barrenas •it
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l'lmtalet de ex11>aai6D
J-40
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La perforadora de piso mQdelo J..,4Q; es una unidad ligera para trabajos· de perfora· ción en general con capacidad suficiente para todo tipo de perforación en roca media y dura; útil para minas, canteras, construcción y trabajos industriales.
Y ACCESORIOS
Se recomienda para hacer barrenos -de 1%" a 2" de diámetro, y hasta 18' de profundidad. ·Esta perforadora, puede barrenar en seco (con sistema soplador) o para barrenar con agua, mediante pequeños cambios que se realizan fácil· mente. Debido a su bajo consumo de aire, su alta velocidad de penetración para su tipo y su fácil manejo gracias a su poco peso, se obtiene considerable ahorro de tiempo, disminuye sus costos y aumenta la producción. ·
I\Om
• f. MANGUERA
PARA AGUA
ILUS. NO.
1
MANGUERA TIPO 5~
LUBRICADOR TIPO IRO 18F
NO. DE PARTE
MANGUERA TIPO 88
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DESCRIPCION TIPO 88 con conexiones Incluye
1 2 34 5 6 ·1
. 6DHC 75 3HDI 1 oH e 75 no. 6 T-88 :Y4 581 BCI 3/.1 A 1
VASTAGO TUERCA VASTAGO ABRAZADERA. (2). MANGUERA 19 mm x 3.8 m (3/.1" VASTAGO REDUCCION
x12.5 pies.)
TIPO 50 con conexiones Incluye 8 9 10 11 12 13
5 DHC 75 3 HDI 1 oH e 75 no. 6 T-50% 6 oH e 75
VASTAGO TUERCA (2) .. VASTAGO (2) ABRAZADERA (2) MANGUERA 19 mm x 15.2 m (%" x 50 pies.) VASTAGO
127
EMPUJt:.DO~=i
V 64x450¡ V
UNIVERSAL 6~x900 C 230 ES
TAM:lOCK DIMENSIONES PRINCIPALES Peso sin anclaje Longitud total Longitud de avance Diámetro del cilindro Peso del anclaje tipo cuña, y cadena Peso del anclaje tipo "brazo palanca" y cadena. Longitud 1 m ·Longitud 1,5 m
Y 64
X
450
9,6 kg .700 mm 450 mm 64 mm 4,5 kg
Y 64
X 900
12.5 kg 1150 mm 900 mm
64 mm 4,5 kg
13 kg
13 kg 16 kg
16 kg
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1
UJ 1 Cilindro 2 Vástago del pistó" 3 Gancho .pzro ·la c:;dena 4 Empuñadura 5 Válvula de escape 6 Válvula de control
3
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'9~0; :$00 - -
ANCLAJE SOBRE BRAZO DE PALANCA 1 Barra 2 Brazo do pn!nnc1
3
Cade~él
4 Pezón de
martillo
reposé~
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ANCLAJE CON CUÑA Cuerpo
2 Cwin 3 C;-¡dena 4 Pelón de r(,[l050
del m;1r!illo 5 Cador1iln de In cur1n
Barren adora gemela sobre vía
Versión especial, equipada con un brazo hidráulico para dar mayor · c;;obertura de ataque.
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Mod. 0H123 · o,;rtor Otill • .CV2" 81)re Two (2} • 12V/ lOOW light fixture
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TIJERAS ABIERTAS PARA PERFORACIÓN DE BARRENADO PERIFÉRICO EN EL TECHO
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Armazone s modulares combinac ión de vatios tipos de armazones moPor .dulares,.el mismo equipo se puede utilizar en avance de túneles o galerías en una gran variedad de sec· ciones.
la
135
CARGADORAS - TRANSPORTADORAS El método de carga-transporte-descarga (lHD) ha constituido un avance positivo en la mecanización de las labores subterráneas. la facilidad de maniobra y rapidez de desplazamiento de las modernas cargadoras-transportadoras ha traí· do a primer plano este tipo de máquinas. Distinguimos dos tipos de cargadoras-transportadoras: má· quinas que utilizan-el cucharón para cargar el material en una caja propia, transportándolo en ella; máquinas que reali· zan el transporte sobre el mismo cucharón de carga.
!izarse en las minas de galerías estrechas y con pendientes fuertes en las que los malacates de arrastre eran considerados hasta hace poco como la·única solución económica. Asimismo en las galerías horizontales permiten la supresión de -las vías. Construidas con dos puentes motrices y articulación hidráulica central, estas máquinas tienen un radio de giro extremadamente corto que les permite trabajar en galerías estrechas. los brazos de elevación de la cuchara se disenan ·de tal manera.que la carga ~a concentrada en la proximidad de las ruedas delanteras, lo cual posibilita velocidades de traslación más elevadas y menos· vibraciones sobre pisos difíciles.
Son máquinas proyectadas y construidas especialmente para las segundas, las cargadoras-transportadoras que realizan el la carga y acarreo en galería, lo cual se trad~ce en un perfil transporte sobre el mismo cucharón de carga, son las probajQ, una estructura robusta y un escape de gases tóxicos píamente denominadas lHD (load-Haui-Dump). Pueden utiprácticamente nulo. Cargadoras- Transportadoras f
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Realizan el transporte sobre el mismo cucharón de carga
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Entrada de los gases
Escape
Nivel de agua
los METROSCOOP están equipados de cuba de barboteo de acero inoxidable, alimentada por depósito de agua; para pretratar los gases de escape.
los METROSCOOPS tienen una articulación central y un puesto del conductor puesto lateralmente para facilitar la manejabilidad y la visibilidad en ambos sentidos.
CT
1500
A
2.3 2.3 3.9
r
R
2500
600Q
7000
10000
2.9 2.5 4.6
4 3 6.1
4.3 3 6.4
4.4 3,2 6.6
12000 15000 4.5 3.6 7
5.1 3.8 7.8
136
CARGADORAS - TRANSPORTADORAS QUE UTILIZAN EL CUCHARÓN PARA CARGAR EL MATERIAL EN UNA CAJA PROPIA.
EL CAVO 310 PUEDE CARGAR A UN TRANSPORTADOR DE BANDA ,
CARGADORAS MINERAS DE CUCHARON
t.anto en el movimiento del cucharón como en el desplazamiento.
Son las máquinas que cargan de manera alternativa el material arrancado del fr~nte, mediante un cucharón y lo descargan acto seguido a la instalación de acarreo correspondiente. Los tres principales tipos en que se desglosa este. tipo de máquinas son: cargadoras de cuna oscilante con vertido trasero, cargadoras de cuna oscilante con vertido a transportador incorporado y cargadoras de vertido delantero o lateral.
Una variación .de las anteriores lo constituyen las cargadoras cuyo mecanismo de captación es de una cuna oscilante, porque en lugar de descargar el cucharón en otro equipo {vagonetas, camiones, transportador) descargan en un transportador propio incorporado al mismo. Las cargadoras mineras de vertido delantero se caracterizan por su bajo perfil que les hace apropiadas para el trabajo en localizaciones angostas. Muchas de estas máquinas cuentan con cucharón de descarga lateral que reduce la necesidad de maniobras aumentando con ello la productividad.
Las cargadoras de cuna oscilante disponen de un cucharón montado sobre una cuna de báscula hacia atrás elevando la carga y vertiéndola por la parte trasera en un solo movimiento. La unidad suE:Ie estar accionada por motores neumáticos
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Pesos, medidas y rendimiento Largo
A
6.46m
Potencia del motor según DIN 6270
A<1cho
H
1.80m
Régimen correspondiente
Altura
o
Ancho devia Distancia entre ejes
B
Altura de elevación Altura lib'e con cuchara volcada
9('CV 2500r.p.m.
1.90m
Par motor máximo
1.42m
Consumo de combustible plena carga
2.B9m
Contenido del tanque de combustible
2.65m
Velocidad hacia adelante
0-5/10/19 km/h 0-5/10/19 km/h
32.6mkp 19.21/h 1351
1,72m
Velocidad hacia atrás
Alcance en altura máxima de descarga
0,65m
Tiempo de elevación
6sec.
Angula de descarga a altura máxima .
46"
Tiempo de descenso
3sec.
F
Angula máximo de carga
49°
Vuelco de la cuchara
Radio de giro interior
3.75m
Fuerza max. de elevación
Radio de giro exterior Ancho de la cuchara Contenido de la cuchara Ruedas
G
2 sec. 6750kp
5.50m
Fuerza max. de arranque
6400kp
1.80m
Fuerza max. do empuje
8400kp
1.6om• 12.00-24
Carga útil . Peso
Nos reservamos el derecho de canibiar las P.specificaciones.
Tolerancia para los dntos técnicos± 3".
Otras cargat!oras mineras SCHOPF:
138
3.8t 9.4t
o z
70
1-
w
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34
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9
No SE RECOMIENDA OPERARLA EN PENDIENTES MAYORES DE
32% ( 18o}
lA CARTA DE VELOCIDAD ESTÁ BASADA CON PESO DEL VEHlCULO A PLENA CARG.
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51t. (1524m:n)
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, CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO TRASERO ./
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EL CAVO 320
CARGANDO UNA VAGONETA
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EL CAVO 320 CARGANDO UNA VAGONETA . DE NEUMÁTICOS
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fL CAVO 330 DESCARGANDO SOBRE TRANSPORTADOR DE BANDA
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CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO ATRANSPORTADOR INCORPORADO
Vólvulo do elevoci6n de lo cuchara y de lo transootfodoro XIHivMhuO"'tl. 8Gnds~l
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Plotolormo raqt.
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• J~.~f!f!j'!,__IIP': ~"''-~---
CARGADORAS DE VERTIDO DELANTERO OLATERAL
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Cargador de discos rotativos
tipo FL .300
Vagón de fondo móvil shuttlecar
LM 36, LM 56, LM 70 y•tM 250 sobre vagón de mina
LM 56, LM 70 y LM 250 sobre vagón de fondo móvil
Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil
Accionamiento eléctrico Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil
Sin vía Accionamiellto neumático
Accionamiento eléctrico
CAVO 310, 511
Haggloader 9HR sobre Hagghauler HT
Diesel Cavo 320, 520 sobra Hagghauler HT
CARGA ~ 2 A 2 1/2 MINUTOS LIMPIANDO SU PROPIO CAMINO
TBL630
TRANSPORTA
A ALTA VE~Q CIDAD (MÁS DE 5U KPH)
DESCARGA - 30
SEGUNDOS -RÁPIDO y Llf-1PIO CIJCHARÓN DE DESCARGA FRONTAL,
~~~.~~(("'~"ji> ~J "~
< ·.t--e' (.'.• ,~ ·.. tr' ol .· '{)1 ;JL_!;J ·,·; :~ ·, ·. .)C---1-L...._.. '-'.;1 ..
9.J-h~
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ACARREADOR MINERO AUTOPROPULSADO Hemos unificado esta denominació n a todo vehículo m mero que se utiliza para el transporte ya sea de carga de mineral, de material y herramienta, de personal o de lubricante. Forzosamente los tipos incluidos han de tener entonces características muy diversas, lo cual se pone de manifiesto considerando los carriers para transporte de carga de mineral. Estos equipos pueden ser de cuerpo rígido o articulado. Pueden realizar su descarga por vuelco (como los dumpers normales) por un tope telescópico que "barre" la carga de la caja, o bien por medio de un transportado r que constituye el mismo fondo de la caja. Característic a común a todos ellos es el diseno de perfil bajo, la construcción robusta y la capacidad de absorción de choques. El radio de giro de un carrier no sólo depende del ángulo de articulación o de deflección de ruedas,
sino de la distancia entre los ejes delantero y trasero; cuanto menor sea ésta, menor será el radio de giro. El centro de gravedad del conjunto camión-carga ha de ser lo más bajo posible, no sólo por cuestión de estabilidad (esencial), sino también para disminuir las tensiones dinámicas. La velocidad de desplazamie nto viene determinada más por el estado de la superficie de rodamiento que por un sobredimens ionamiento del motor. Mientras que los costos operativos están en relación directa con el peso bruto (vehículo + carga) las producciones sólo guardan relación con la carga: consiguientem ente es vital que un camión minero tenga una relación peso bruto: carga lo más favorable posible. La distribución de la carga sobre los ejes es también un importante factor; entre otras ventajas permite el ascenso de rampas con buenas condiciones de adherencia de las ruedas.
K- 162 • 12 m 3 • (20 ton}
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__Mi_ Volwnetrfc weight ofthaloacliapprOJC.
2.&ton/tnl
Volumetric: welgl\1 1.6Ston/mt cft.MioadtPPI'O•
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3.61r.W/tcn
7.7kWiton
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frontexle
AX~E~OADS
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15.3tona
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ZSOlons
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40.3 tona
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l'ltbPMJ SAE 2:1 ÍOtalYOh,¡:ne
16.00>25 18.00>25
(rcntaxle
ruraxle
m
7.0m' 2.5m1 9.5m'
lottded tniC;k: frol)t'IX\e rearaxle
efnpty truck frontaxta rearaxle
14.4 tona-36 .. 25.9 tona-641M.
Wolghll Netweight _payload Qroaa~ght
10.0 tona-65 ~
a.3t.... -as'"'
........ heopod SAE 2;1
17.5tons
20.0tons 37.5tons
fronta•l• r.aarule
14.8t;)('.¡-J9ljl;
22.7tons-61
emptytru,;lr,
Bodyvolume
Totalvolume
AXLELDADS Joaded truck
IO.Om' 2.0m' 12.0m'
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ftontaxle
9.&tona-5&~ 7.7tons-44~
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Vclumftrlc Mlghl: o1 me loaelapprox.
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Outputs per ton
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Tyrea frontaxle
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Bodyvotum• St!"'.oCk ~eaCitd S~~oE2:1 Tctal~umo
1.65ton/m'
cf tha lc,adl;>iítOX
Out~uts por ton '
2.7kW/ton
lo~=~ ~.u;.r.
8.8kW/ton
Ul'l~:·..
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Tyn.•a au
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3.1 ~tW,'t;)ft
1.1 k\'\'iton
16.~ ~8.~
AXU!LOADS
Wetghta 1\;stweig:!"lt
V()lume:rlc weight
3.0t/m'
15.9tons 35.0tons 50.9tonl
&.2m' 2.5m* U.?rrt'
loadld truck: frolntax:. rnraxle
14.8 tora -29%, 38.'\tont-7'\11.
empcytruck frontelde
9.4tons;..58'11o
rean.xle
w.t;htt Netwei;ht ......d
grosa weight
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Boctyvclume • Struek
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TouiYOiumt
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146
17.Gtolll
AXLELO.!t.~.;> loa..:t:t ~:,¡~k.:
25.0 tons
frontaxoe: reart>.:e emptytt;.:.:k
14.0m' 2.0m' t8.0m'
fronta)Je
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1i.7t0."\$-42 ~
24.9!0!'1:1-58% 10.4 too-Si"-
7.2.t01'14l,_
1000
MANEJO DEL SIS.. TEMA DE BANDAEXCAVADORA .
PuRIFICADOR DE GASES DE ESCAPE
MANEJO DE LAS RUEDAS
1------·----1 ft 305mm 11 3
4 ft 4 In ___ 1321 mm ~----9ft 10 in 2997 m r n - - - - -
_..,f--.. 3ft 10 in
1168 mrn
3 ft 10 in _ _.¡
1168 mm ·1 --10ft 21n 3099 mm-------.1
19 In 483 mm
LOCOMOTORAS DE MINA
positivos de escape de gases o catalíticos que reducen considerablemente el monóxido de carbono tóxico producido en la combustión. las locomotoras de batería son máquinas compactas, sin inconveniente alguno de gases nocivos, que requieren la carga periódica de los elementos acumuladores. El sistema de troley libra a las máquinas eléctricas de la servidumbre de la recarga, pero necesita un tendido de toma de fuerza a lo largo de la galería.
El diseno de las locomotoras de mina lógicamente difiere bastante del de las locomotoras de superficie. Las condiciones de trabajo de las galerías son mucho más adversas que en superficie. En primer lugar el tendido de rieles no se realiza con la calma, precisión y seguridad utilizada en los ferrocarriles, por lo que a veces el asentamiento no es óptimo. Las galerías además abundan en curvas cerradas y cambios de vía. Tampoco son frecuentes los hundimientos y las inundaciones. las condiciones de iluminación y ambientales son siempre críticas en las galerías.
El cuerpo de las locomotoras es una construcción robusta de acero soldado que forma un container que encierra todos los elementos de moción. Estos elementos deben ser fácilmente accesibles para su mantenimiento, para lo cual la carcasa ha de disponer de las puertas de acceso adecuadas.
En cuanto a su accionamiento las locomotoras de mina pueden ser diese!, diesel-eléctricas, por acumuladores y por troley. las locomotoras diese! y diesel-eléctricas montan dis-
~-----------------~~~~------------~
Tipo
Ancho
Trocha
Batteria
Peso de servicio
ETB 70 ETBB 70
1250 mm ¡49") 1400 mm (55")
600- 750 mm (24- 30") 750-900mm (30-36")
120V/900 Ah5 120V/900 Ah5
9,4-10,0 t 9,7 -1;~,0 t
• Locomotora de concepto sólido, diseñada especialmente para las condiciones de trabajo en obras de construcciones subterráneas:
Robusta Bajo mantenimiento
• Dos puentes moto-reductores con motores totalmente .encapsulados y reductores de una grada, lubricados en baño de aceite:
A prueba de agua Compactos Bajo mantenimiento
•
Rodamiento suave. Adhesión excelente
Suspensión sobre resorte,:; de hojas con efecto auto-amortiguador y con dispositivo de compensación de nivel:
• Cajas de eje estancas con rolineras rodi'los:
p~ndulares
de dcble fila de
A prueba de agua Duraderas
,. Ejes con ruedas montadas a presión y estas con llantes de acero remplazables:
Trocha convertible Desgaste económico
•. cor'nbinador .de tambores a levas con cámaras parachispas y bobinas sopladoras y con trinquete de seguridad:
Mantenimiento fácil Duradero A prueba de operaciones erróneas
•
Operación económica Maniobras precisas
~'?S velocid?des ::;;,; resistencias y ocho velocidades por regulaCion reosta!lca: ·
o Freno electro-dinámico de siete gradas y freno mecánico de sinfin. efectivos sobre las cuatro ruedas:
Seguridad de operación
• A petitión: Servo-freno de ·aire con cilindro acun.tllador por muelle, incluyendo fmnado hombre-muerto. interruptor de emergencia y conex.ion para fwnado simultimeo de vagonetas:
Seguridad incluso bajo condiciones do operación criticas
e En se1viciv
Calidad comprobada
pn
ol. mundo entero:
148
MINING
GOODMAN DI'/ISiON
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DIMENSIONS OF 12 TON TYPE DI2CTC MANCHA DIESEL LOCOMOTIVE
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DIMENSIONS OF 20 TON TYPE D20CTT MANCHA DIESEL LOCOMOTIVE '
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3.
SELECCION DEL EQUIPO EN FUNCION DE LA DIMENSION DEL TUNEL Y DE LA [)UREZA DEL MATERIAL POR EXCAVAR
153
MAQUINARIA UTILIZADA EN LOS TRABAJOS DE EXCAVACION DE GALERIAS YTUNELES S I MB O L OG 1 A
CARGADORA DE RAMPA
JUMBO DE PORTICO ACARREADOR
TREN DE VAGONETAS CARGADORA TRANSPORTADORA
~2.-r--- -- -- -- -- ~·
TUNELADORA DE ATAQUE A SE' CIÓN COMPLETA
TRANSPORTADOR DE BANDA
MAQUINA DE ATAQUE SELECTIVO
PALA EXCAVADORA 154
ACARREADOR MINERO DE VOLTEO
SANEAMIENTO DE TECHOS
CARGADOR FRONTAL SOBRE NEUMATICOS
JUMBO DE ANCLAJE
EXCAVADORA CON CABEZA DE ROZA CARGADOR MINERO
CARGADORA DE CUNA BASCILANTE
JUMBO DE BARRENACION
cARGADORA DE ANFO
IMPACTADOR '"" 155
MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE GALERIAS DE 6-1 O m2 DE SECCION MATERIAl DE DUREZA
156
<
600 Kg/ cm
2
MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE GALERIAS DE 6-1 O m 2 DE SECCION MATERIAl DE DUREZA 600-900 Kg;cm2
157
MAQUINARIA UTiliZADA EN. EL LABOREO DE GAlERIAS DE 6-1 O m 2 DE SECCION MATERIAL DE DUREZA
158 .
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900 Kg/ cm2
MAQUI NARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE GALERIAS DE 10-14 m2 DE SECCION MATERIAL DE DUREZA
<
600 Kg/ cm 2
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159
MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE GALEf!IA.S DE 10-14 m2 DE SECCION MATERIAL DE DUREZA 600-900 Kg/ cm2
160
MAQUIN ARIA UTILIZADA EN EL LABQRE O DE GALERIAS DE 10-14 m2 DE SECCION MATERI Al DE DUREZA
161
>
900 Kg/ cm2
MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TUNELES
<
DE SECCION ROCA DE DUREZA
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25 m2
600 Kg/ cm 2
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. MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TUNELES DE SECCION
< 25 m2 ·
ROCA DE DUREZA 600..;..900 Kg/cm2
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MAQUINA RIA UTILIZADA EN El
LABO~~EO
ROCA DE DUREZA
164
DE
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DE SECCION
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MAQUINA111A U"nl.IZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECCION 25-;-50 ROCA DE DUREZA
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600. Kg/cm2
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MAQUINA~IA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECClON 25-r50 m2
ROCA DE DUREZA 600-:-900 Kg/ cm2
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MAQUINARIA UTILIZADA EN EL LABOREO DE TU N ELES DE SECCJON 25+50 m 2 ROCA DE DUREZA
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167
900 Kg/ cm2
MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECCION ROCA DE DUREZA
168
<
600 Kg/ cm2
> 50 m2
MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECClON> 50m 2 ROCA DE DUREZA 600; 900 Kg/ cm 2 r 1 1 1
MAQUINARIA UTILIZADA EN LABOREO DE TU N ELES· DE SECCION ROCA DE DUREZA
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170
>
900 K g/ cm 2
> 50
m2
4.
PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION 1.
Sección completa
2.
Media sección y banqueo
3.
Sección completa con túnel piloto central
4.
Media sección superior con túnel piloto y media sección inferior con túnel piloto (Método belga}
5.
Media sección superior con rezagado a túnel piloto inferior (Método austriaco} ·
6.
Dos túneles piloto laterales y túnel piloto superior con banqueo posterior (Método alemán}
7.
Túnel piloto central y ampliación de sección con túnel piloto superior (Método italiano}
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171
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DISE~O 'A'
7SOmm
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VIGU~~:rA (11 , 1 \!!QC .
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lOO m~ VIGUElt;',, \ 1
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\'-2x200mm ·
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VJGL!FTA '
75/15' '
Posrr:s
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LINEA PROYECTO DEL REVEST IM 1 ENTO
1
1
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....... ..__j _____ .... / DE SO!'ülnE
¡
MARCOS COMB n~ADOS SOPORTE DE MADERA
SOPORTE DE ACERO
SISTEMAS DE SOPORTE CON MARCOS Y ANCLAS EN LA CLAVE
Ataque a plena sección con varios pisos.
f1~TODO
ANCLAS EN CLAVE
Ataque a plena sección. Variante con galería de base.
DE MEDIA SECCIÓN Y BANQUEO
A-A
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......... "'-1
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1
lA
M~TODO
DE TÚNEL PILOTO CENTRAL
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;-:.
BLOQUES ENTRE LA ROCA Y EL MARCO tBLOQUES ENTRE LA BARRA.DÉ éLAVE Y LA ROCA Y EL MARCO
t
CLAVE EMPUJANDO HACIA AFUERA (SEGÚN PROCTOR Y WHITE)-
AR"fADURA
PROCEDIMIENTO DE MARCOS SOBRE ARMADURAS
SECCIÓN fi-6
SECCIÓN Á-A
SECCIÓN F-F
rp
/1" .1........' -'•''\\
1 1 1 1 1 1 '
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1 1
1•1 1
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1
11
--+· -LJ..-1 .
1
ESQUEMA DEL MtTODO BELGA (ARCO VOLADO), A PARTIR DE UN ATAQUE SUPERIOR
SECCIÓN A-A
SECCIÓN B-B SECCIÓN t-C
Sfi:CCIÓN'D·O
.....-;0>~,' ,,, r.. \t,'\
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JJJ . 11 ,,
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:-J-40
', ' ••
DETALLES DE ATAQUE DOBLE EN EL MÉTODO BELGA
SECCIÓN 'f-E'
SECCIÓN F-F
SECCIÓN'L-M
SECCIÓN N-O
COLADO DE LA
SOLERA /TRANSVERSAL
SECCIÓN LONGITUDINAL /11
NI
1"1 '.
Rl
FASES CONSTRUCTIVAS DEL MÉTODO AUSTRIACO
Fi
MÉTODO DE ETAPAS MÚLTIPLES A),-EXCAVACIÓN Y PREPARACIÓN PARA EL COLADO
B),-EXCAVACIÓN DE LA PARTE SUPERIOR
C),-AMPLIACIÓN DE LA SECCIÓN SUPERIOR
BORDE EXTERIOR DEL CONCRETO POSTE DE CONCRETO RE FORZADO DEJADO ATRAS DE LA SECCIÓN
F),-CONSTRUCCIÓN EVENTUAL DE CAMISA INTERIOR DE CONCRETO REFORZADO
E),-COLADO .DE LA CUBETA
176 · - · - ·· · _ .-~---·-----
METODO ITALIANO
8.
1-77
SECCIÓN EN
DIVERSOS
M~TODOS
EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS MUROS
1 TROQUEL ~~~~~~·._--~~~~r . .'-:.;.··.···. .. -· ...
VIGUETA DE PARED (MADERA, ACERO O CONCRETO) TORNAPUNTA TEMPORAL
LINDERO DEL CORTE CENTRAL
TORNAPUNTA PARA CONSTRUIR LAS PAREDES 178
5.
ARREGlOS GENERALES Y DISPOSITIVOS PARA LA UTILIZACION EFICIENTE DEl EQUIPO DURANTE El PROCESO DE ACARREO (REZAGADO)
o
1
179
ARREGLOS DEL SISTEMA DE DESCARGA EN.EL TUNEL
LocoMOTORA 1
EMPUJADOR 1
LuMBRERA
1 EMPUJADOR 1 LocoMOTORA
DESCARGA ENTRE LOS RIELES
TREN
DESCARGA LATERAL A LA VÍA
DEL CARGADOR FRONTAL
7
~.'~
~ v...q¡;.
~------------~-----------
180
-1 ENTRADA
CUANDO SE CARGA EN
A) VISTA LATERAL
TRAMO RECTO SOLO SON
CIJAHl)O SE CAI\I!A EN CURVAS
NECESARIOS ESTOS "
EN TREN DE!E .ACORTARSE
DISPOSITIVOS DE SUJECIÓN
5
2
B)
3
PLANTA DEL TREN MODULAR
Co!wil'O ELtCTRICO ESTACIONARIO "T.""--lá~iElf==-7 PERNO
USUAL
. D} AcARREADOR DE RECEPCIÓN
fLacAs N
DE
E11PWE
e) St.CCIÓN TRANSVERSAL DE UN ELEMENTO ( l'IE }
PR!)TEQ:Ii!H
11~\M.IIIIJITAIIOR
---}?/lf,,,i--d
1 1
e
SICcliiH "INIIIA PARA fRNISOOliTI
~·- ~·~·~·· -~i ~?iii'174" __ _ 1
.
1
~..r-·d:--1-~~--d'
~1 '
')'BANDA DE CARGA, NORMAL, ALTURA OBLIGADA DE DESCARGA 1420 MM. ( 2 ) AcARREADOR DE RECEPCIÓN ( 3 ) D1SPO Sl TI VO DE COMPACTACIÓN ( 4 ) ELEMENTO TRANSPORTADOR ( WE ) ( 5 ) MoTOR TRACT 1VO ) COMANDO DE CADENA PRINCIPAL ( 7 ) COMANDO ELkTRICO ESTACIONARIO ALTERNO, PARA DESCARGA
~"-
¡
. L.
--·-
malacate de .doble
escrepa
mina
REZAGADO DEL FRENTE
Cambio catilornia
Ramal secundario Portal elevador de cambio de vagones
X X:
X
X X XX XXXXX:XXXJ(XXJK.XXXXít
Cambio lateral de placa
bre camión
Túnel con nicho, para cargadora frontal descargando so-
LADERO DE
AL~IACENAMI
CARROS. VAdos
ENTO
CAMBIO
:. ?(5§?5* ~~LA
A
•
-
·
DE
lZAJE
CARROS CARGADOS
CAMBIO
LADERO DE ALMACENAt-11 ENTO
CAMBIO
CARROSVAClOS
CAMBIOS
B LADERO PE CARROS VACfOS (,
VlA DE AVANCE
/
/
JAULA DE lZAJE
LADERO DE
o
~
~
ALMACENAMIENTO
~·:¿
Cot1PUERTA
;;; .
. .
.·
\
·. DE ·~···· . . . ~ ~
ARREGLOS DE VfA EN EL FRENTE O LUMERERAS DE IZAJE 183
VlA PERMANENTE
LADERO PORTATI L CON APOYOS DE ACERO
CAMBIO CALIFORNIA PORTÁTIL
1
~'-J_ ,-._;!.-:~ - -.-. ~-'RR_~s;:CI;-= _·
CARGADOR
CARROS CARGADOS
. LOCOMOTORA
( A ) ARREGLO GENERAL CON CARGADOR FRONTAL Y VÍA DE AVANCE ( E ) Y ( C ) CON VÍA DE ALMACENAMIENTO DE CARROS 184
SISTEMA COORDINADO
... ~\
.\
\ SISTEMA DE IZAJE DE LA VAGONETA, CON MALACATE···.
CARD
6.
REFERENCIAS
The Art of Tunnelling Károly SzéchyAkadémiai Kiadó-Budapest, 1970. Tratado de Procedimientos Generales de Construcción; Cimentaciones y Túneles, Paul Calabru, Editorial Reverté. Cantera~ y
Explotaciones Revista Técnica de Maquinaria para Canteras, Minas, Cementos y Obras Hidráulicas No. 951 enero 1975. ·
Té~nica Moderna de Voladura de Rocas, U. Langefors y B. Kihlstrom Urmo, S.A. de Ediciones 1976. Técnica Sueca de Voladuras, Rune Custafsson SPI, Nora, Suecia, 1977. Handbook of Surface Drifling and Blasting Tamróck.
186
VOLADURASSUBTERRANEAS
A. Samuelson
Generalmente las excavaciones subterráneas son a base de túneles y lumbreras. Lo que no es túneles o lumbreras es una adaptación de voladuras de banco.
1.
El banqueo se hace con barrenación vertical u horizontal. Bancos con alturas menores de 4 metros son desfavorables por sus altos coeficientes de barrenacíón y carga. Ver Fíg. 2. Túneles anchos o en roca mala es ventajoso de atacar con túnel piloto y ampliación (banqueo) lateral. Ver Fig. 3. Con el túnel piloto se pueden investigar las condiciones de roca sin abrir un techo ancho y poner andas y/o concreto lanzado antes de la ampliación lateral.
TUNELES
la diferencia principal entre voladuras de túnel y voladuras de banco es que en el túnel hay solamente una cara libre, comparado con mínimo dos en un banco. Esta cara adeEl emboquillado es preferible .de hacer con un túnel piloto más perpendicular al avance del frente. Por esto se necesita _ abajo, después las ampliaciones laterales y finalmente bajar crear una apertura en todo el largo del avance previsto y después volar la roca sucesivamente hacia esta apertura. En la ampliación de la apertura se aplica el método de voladuras de banco. Pero la carga específica es mucho más alta por las · siguientes razones:
es
a)
Barrenos desviados (el ambiente subterráneo con obscuridad, humo, agua, alto nivel de ruido, etc., dificulta el trabajo).
b)
Espacio requerido para el hinchamiento de la roca (el hinchamiento es arriba de 50%).
e)
Barrenos sin inclinación.
d)
No cooperan barrenos adyacentes.
e)
El efecto de la gravedad en los barrenos qu~ tienen salida por arriba. . . <··,
Telecom. eto.
B 44 m
..
,.,·
Hay una gran variedad d~ túneles para diferentes usos, ver la figura 1. -
Estac16n ((e metro
En túneles con áreas menores de 80m2 normalmente se ataca toda la sección en una operación. En túneles más grandes se reparte la excavación en dos o más operaciones. Esta repartición se puede hacer de varias maneras, pero ahora domina el método de excavar una galería arriba y después banquear.
Dep6sito de potr6leo
El número de bancos depende de la altura del túnel y muchas veces de las condiciones de estabilidad de las paredes. Por ejemplo en la casa de máquinas (44 m de alt~.¡ra) y la gale-· ría de oscilación (55 m de altura) en Chicoasén se especifica el siguiente procedimiento: excavar un banco de 4 metros y después anclar las paredes antes que se excave el próximo banco, para evitar desprendimientos de las zonas relajadas. Ver Fig. 1.
11 Chicoast!n, casa de md:quinas
1 1 1
1 Fig. 1
187
Ejemplos de cortes transversales de túneles típicos
1
·.¡
1
Galería
TWtel piloto
Ampliaci6n
lateral
Fi~~ 3
Banqueo con barrenao16n vertical u horizontal
Ampliaci6n
lateral
Túnel piloto y ampliaciones laterales
Cuñas La apertura antes mencionada se hace con una cuña (cuele) . . Hay una gran variedad de cuñas, pero las cuñas comunes son de tres tipos:
Fig. 2·
Galería y banqueo
el techo. El túnel piloto debe tener una longitud de unos 10 metros O hasta que SE' compone la roca superficial, como SE' muestra en la Fig. 4.
a)
Cuñas en abanico.
b)
Cuñas en V.
e)
Cuñas paralela~
a)
Cuñas en abar..co
En estas cuñas los barrenos trabajan sin la constricción en el fondo que significan otros tipos de cuñas. La primera hilera
Ampliaci&n hacia
aba~o
Tdnel piloto
Ampliaci&n lateral
Ampliación lateral
Fig.
4 Túnel piloto y ampliaciones
188
!
tiene fondo libre y las siguientes salidas en ángulo recto, ver figura 5.
'
la cuna en abanico puede considerarse como una especie de zanja volada a través de la sección del túnel y por eso es la cuna más suave· para la roca.
1
1
la semejanza de una zanja implica que se deben tomar en CIJt>nta las condiciones dt> rotura en una superficie perpendicular a los barrenos y aplicar el principio de salida en ángulo recto (ver Fig. 5). la secuencia de ignición marcada es la.única posible para poder controlar bien el resultado. Por la dispersión de tiempo entre estopines del mismo intervalo es posible que un barreno lateral salga antes que el barreno central si se pone el mismo número en la hilera, y entonées el barreno lateral tiene un ángulo de salida del orden de 45°.
'
Por su geometría una cuna en abanico necesita un túnel bastante amplio y no es preferible de usarla en túneles de menos de 7 metros de ancho. Aunque es muy fácil de calcular una cuña en abanico no se usa mucho bajo condiciones normales por las siguientes limitaciones:.
referencia
la profundidad de los barrenos varía de hilera a hilera. Un barreno demasiado profundo puede excitar un barreno adyacente y provocar una tronada fallada.
Fig. 6
b)
la desproporción entre el número de barrenos en los dos lados retrasa la barrenación.
Principio para barrenación de una cuna en V
Cuna en V
La cuna en V (cuele de cuna) es la más usada en 'túneles mayores de 20m2, pero ahora se puede notar una tendencia hacia la cuna paralela, especialmente con barrenación mecanizada. . .
la proyección de piedras es muy fuerte. Con la secuencia de ignición requerida se necesita un gra·n número de intervalos de los estopines. '
la cuna en V es simétrica que facilita la organización del trabajo· en el frente. Otra ventaja es que la cuña en V no exige una barrenación tan perfecta como la cuna paralela para dar un avance razonable. El ángulo de la cuna debE' ser mínimo 60°, lo que limita el avance por tronada a la mitád del ancho del túnel. Esto implica quE' los barrenos de la cuna salen más largos QUE' los otros barrE' nos en la tronada. Por éjemplo, en una barrenación de 3.20 m los barrt>nos de la cuna son 3.20 X - 2- = 3.70 m. En la figura 6 SE' muestra t>l esquema dE' ba-
...[3
rrenación para una cuna E'n V. los datos t>n la Tabla 1 sirven como guía para t>l cálculo dE' barrt>nación y carga de cunas en V con t>l ángulo 60°.
Tabla
Fig.~5
Construcción del esquema de perforación para.un cuele en abanico
189
1
Bordo V m
Concentracción de carga de fondo kg/m
Número dt>.hiiE>ras horizontales
1.5
1.0
0.9
3
38
1.6
1.2
1.4
3
45
1.8
1.5
2.0
3
48
1.8
1.6
2.3
3
51
2.0
2.0
2.6
3
Diámetro de barrenación mm
Altura de la cuna m
30
mt>ra V se pont>n t>stopint>s lnstantánt>os ).Al lado dt>l intt>rvalo t>ntrt> los Vs dt>bt> t>star suficientt>mt>ntt> largo para pt>rmitir t>l hinchamit>nto y movimit>nto dt> la roca desprt>ndida. Naturalmt>ntt> t>sto t>S más importante para avanct>s largos. En Mí>xico hay pocos númt>ros disponiblt>s qut> a vt>ct>s limita t>l avancE> por tronada.
l'l'ente te~zico
e)
Cunas paralelas
Lo antes expliCado en cUanto a la aplicación de las cunas paralelas se extiende también a túneles grandes. Esto depende de las ventajas que ofrecen las cunas paralelas para la barrenación mecanizada:
Fig. 7
Todos Jos barrenos tienen la misma longitud. Esto vale especialmente para jumbos con pistolas que no tienen rotación reversible, lo que hace la extensión o el cambio de la barra muy tardado.
Puntos de referencia para dirigir los barrenos.
Los brazos pueden trabajar independientemente y se puede distribuir la barrenación bien entre los brazos.
La carga de fondo debe ocupar mínimo una tercera parte del 0.5 X carga de barreno. Concentración de carga de columna fondo. Taco = 0.3 V. Durante la fase inieial de una obra es preferible de aumentar la carga de fondo a la mitad del barreno.
=
Con los brazos con paralelidad automática se obtiene una barrenación perfecta solamente vigilando el emboquillado. Como el diagrama de barrenación coincide en la superficie y en el fondo, es más fácil de instruir a los perforistas.
Los ayudantes de la cuna son también'inclinados para faCilitar la salida hasta el fondo. La figura 7 muestra el principio para localizar los ayudantes:
Usando el mismo equipo de barrenación las cunas paralelas son iguales para todos los avances y todas las áreas de los túneles. Esto simplifica el entrenamiento de los perforistas.
En la figura 7 st> puedt> ver como se usan los puntos dt> rt>ft>rencia para dirigir los barrE-nos corrt>CtamE>ntt>. En el túnt>l normalmentE> 'se usan faint>ros blancos para marcar los puntos de. refert>ncia. En un trabajo bien ejt>cutado sit>mprt> st> mantit>nt> t>l frt>ntt> t,J1l poco doblado, qut> entre otras ventajas da un postcortt> con mE-nos constricción. Como se ve en la figura st> nt>ct>sita tomar t>sto .t>n cuenta cuando se marcan los barrenos. inclinados. Esto es una dt>sventaja dt> la cuña t>n V.
La desventaja dominante de las cunas paralelas es la elevada precisión de barrenación que requieren, especialmente en roca dura y avances largos. Otra cosa importante es la concentración correcta de la carga, .para evitar que se queme la roca por exceso de carga.
Bordo y carga para los ayudantes de la cuna: Diámetro de barrt>nación mm
Bordo m
Carga dt> fondo kgfm
Carga dt> columna kg/m
Tacp m
30
0.80
0.90
0.36
0.40
38
0.90
1.40
0.55
0.45
45
1.00
2.00
0.80
0.50
48
1.10
2.30
0.90
0.55
51
1.20
2.60
1.00
0.60
=
Hay una gran variedad de cunas paralelas y normalmente el equipo de barrenación disponible indica el tipo de cuna. Si se cuenta con barrenas de un solo diámetro se usa una cuña quemada con 3 ó 4 barrenos sin carga. En la figura 8 se presentah dos cunas quemadas comunes, la cuna Gronlund y la cuña de costura. La cuna de costura tiene la ventaja de tener los barrenos en una línea, que facilita la barrenación. · Para tener un avance máximo se usan las cunas paralelas con uno o dos barrenos centrales de gran diámetro. En adelante vamos a llamarlas cunas cilíndricas. También se llama cuna paralela con barreno quemado. La base para el cálculo de una cuna cilíndrica es la relación eritre el diámetro del barreno centrill y la distancia y carga del primer barrt>no cargado.
Altura dt> carga de fondo 1/3 X profundidad del barreno. Concentración de carga de columna 0.4 X carga dt> fondo. El bordo no debe t>xceder profundidad de barrenación - 0.4.
=
2
Esta condición toincid~ con la limitación para bancos bajos, dondt> el bordo máximo Vmáx no debe t>xcedt>r la mitad de la altura del banco:
Vmx á
En la Tabla 11 st> da concentración dt> carga en kg/m para cunas cilíndricas y máxima distancia a cuarido se dispara hacia barrenos vacíos con diámetros comprendidos entre 50 y 200 mm. El diámetro del barreno c:lrgado varía entre 30 y 45 mm. La concentración de carga corresponde a Gelatina Extra 40%. Con otros explosivos se corrige en relación a la potencia por peso.
=~ 2
Consecuentt>mt>nte se necesita cerrar la barrenación con avances cortos. Es prt>fNiblt> usar estopines MS en la cuna y sus ayudantt>s, para mayor colaboración entrt> los barrenos. (En la pri~
190
Tabla 11.
Diámetro del barreno central mm
50
Diámetro del barreno cargado mm
Relaciones básicas para cunas cilíndricas
2X57
75
83
a-mm
Avance máx. m
1 1
.
. 150
200
0.20 0.25 0.30
0.30 0.35 0.42
0.30 0.35 0.42
0.35 0.40 0.40" 0.45 0.50 0.55
0.45 0.53 0.65
0.45 0.50 0.60 0.53 0.60 0.70 0.65 . o.7o .· 0.85
0.80 0.95 1.10
90
15.0
130
145
175
200
190
220
2SO
330
1.6
3.0
2.9
3.1
3.6
3.9
3.9
4.3
4.8
6.0
la cuna en doble espiral es la más efectiva, pero se necesita un barreno central de mínimo 125 mm para obtener un buen avance, lo que implica· q~Je el jumbodebe tener una perforatiara especial para este barreno, Otra desventaja es que tiene una forma geométrica bastante complicada, que dificulta la barrenación. Sin embargo se usa el principio para la cuna Coromant. Esta cuna se puede barrenar con máquinas de pierna usando una plantilla de aluminio para guiar la barrenación. Con un accesorio especial se barrenan dos barrenos con diámetro de 57 mm.en forma·de un8. Este huecocorresponde más o menos a un barreno de 75 mm ..
C1ú'la Gr!lnlund .
100
125
Concentración de carga kg/m
30 37 45
1
100 2X75 110
~--~
'l--
210
....
Cufla de costura
INST 1
100
100 200 100
-t-·~ 100
500
-.;K)-
(los ndmeros indican solamente el orden de ignioi6n)
Fig. 9 Fig. 8
Cunas quemadas comunes
191
Cuna cilíndrica con un barreno vacío· de 11 O mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m
Ejemplo de diagrama de barrenación y cálculo de carga En general Hasta ahora la mecanización de la barrenación ha implicado el uso de brocas de 45 a 51 mm. Por eso la aplicación de equipo mecanizado ha sido retrasada, especialmente en túneles con diámetro pequeño. Ultimamente han salido en el mercado brazos hidráulicos que pueden barrenar con acero integral. En realidad estas máquinas salieron hace años, pero ahora han pasado el estado de e~perimento. Se piensa que una comparación entre barrenación con acero integral y acero de extensión puede ser útil para escoger el procedimiento má~ económico. Sección del túnel en que se va a aplicar el ejemplo, ver el anexo 1.
Fig. 10 Cuña cilíndrica con dos barrenos vacíos de 76 mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m.
la cuna Fagersta también se puede barrenar con máquinas de pierna. El barreno central de 75 mm se hace en dos etapas, primero un barreno piloto y después una ampliación con una broca é'scariadora. En las figuras 9 a 12 se presentan algunos ejemplos de cunas cilíndricas.
1
1
1
f}
_-1'-41..._ -t-+-~-·~L. ___
f' 1
1 Fig. 11
Fig. 12 Cuna Coromant con dos barrenos vacíos de 57 mm de diámetro. la barrPnación se guía con una plantilla de aluminio. Para barrenación hasta 3.0 m.
<;uña Fagersta con un barreno vacío de 76 mm de diámetro. Para barrenación hasta 2.9 m
192
Diámetro de barrenación · Alt 1 Alt 2
Acero de extensión
~
Acero integral, serie 12 0 con barrenación de 3.20 m~
= 1 7/8" (48 mm) = 40 - 29 mm = 37 mm
=
Constante de roca Explosivos
;r
e 0.4 kg/m3 Gelatina Extra 40% yDuramex C Cuña (cuele) cilíndrica con 2 barrenos vacíos del diámetro 3" (76 mm) Profundidad de la barrenación 3.20 m Postcorte del techo Estopines MS, Acudet mark V Instantáneo Bordo máximo = 0.7 X A, donde A = ApE-rtura librE' (ver figura 13)
le)
·t-·
-·
=
i
\0
:: ~
{Gelatina Extra 40%) 1.25 kg/litro Desviación de la barrenación: 0.40 m en et piso y 0.20 m en techo y paredes Diagrama de barrenación
Fig. 14 . Diagrama de colocación de barrenos Clave:
Como en voladuras de banco hay que contar con cierta subbarrenación para obtener el avance real. Pero en túneles 'lo más importante para el avance es la exactitud de la barrena~ ción. Según una larga estaaística se puede calcular con un avance de 90% de ia profundidad de la barrenaéión con un trabajo bien hecho.
1. Barrenos de piso. 2. Barrenos con salida hacia arriba. 3. Barrenos de pared. 4. Barrenos de techo. 5.;Cuna con ayudantes.
6. Barrenos con salida horizontal. 7. Barrenos con salida hacia abajo.
Cqmo un detalle práctico se puede mencionar que no es suficiente controlar los fuques sino también que se meta la barrena hasta el fondo. Existe todavía la mala costumbre de rE'tirar la barrE>na cuando todavía quE'dan 10 a 15 cm por barrenar. En un túnel de 3 km de largo se pierde en esta .manera entre 100 y 150m de avance.
Nota importante: la secuencia mostrada es el orden de hacer el.cálculoy no se debe cqnfundir con la secuencia de iniciación. Barrenación con acero integral Con barrenación de 3:20 m la broca tiene el diámetro de 37 mm.
Otra mala costumbre es la de tratar de rectificar un frente un poco doblado con barrenos más cortos en el centro. Con esto se pierde avance y un frente ligeramente doblado tiene adem·ás varias ventajas en cuanto a salida de Jos barrenos, estab.ifidad del frente, etc. Avance estimado por voladura= 0.9 X 3.20
~
J
Barrenos de piso (ver la tabla correspondiente) Para los barrenos con salida hacia arriba u horizontal se requiere la siguiente carga en el fondo:
= 2.90 m
Carga específica 1.0
+ (~ -
25)
x
0.02 kg/m 3
(2)
donde ~ es el diámE>tro actual del barreno. Secuencia del cálculo, se muestra en la figura 14.
En este caso sale una carga específica de 1
'
+ (37
-
25)
x 0.02 = 1.24 kg/m3
la carga de fondo tiene una altura de una tercera parte del barreno y el taco es igual a 0.5 x bordo para barrenos con salida hacia arriba. Para los barrenos de piso se reduce el taco a 0.2 X bordo.
'
Otra condición es que el bordo no puede ser mayor que
l - 0.40 2
'Fig. 13
Concentración de carga retacada
dondE' l es la profund.idad dE' la bammación ..
193
(3)
El espaciamiento es normalmente 1.1
x
el bordo
Sección transversal La sección transversal del túnel tiene forma de herradura formada por arcos de circunfPrencias, la partP dP la bóvPda COn un radio interno de 5.15 m y la de los hastiales con un radio interno de 7.00 m. El revestimiento de concreto tendrá un espesor normal teórico de 30 cm, pero para aquellas zonas que lo requieran se prpvén 45 cm o 60 cm de revestimiento con contrabóveda en la solera para el caso más desfavorable.
(4)
Con esta condición se ásegura que haya espacio para la carga de fondo y el taco. Se puede comparar con la voladura de bancos bajos donde el bordo no puede ser mayor que la mitad de la altura.del banco. · Es muy importante que se haga él cálculo con las medidas quP PXistPn Pn E"l fondo de la barrenación. VPr la línea puntPada Pn PI anpxo q, quP indica dondP caPn los barrPnos pPrimetrales con la desviación necesaria para dar espacio a la perforadora.
El túnel está separado en dos partes bien distintas, una superior que es la reservada para la ventilación y una inferior para el tráfico y duetos de servicio. La parte superior está dividida por medio de una pared de separación vertical, de 15 cm de espesor suspendida a la bóveda eri dos canales, uno para el aire fresco y otro para el viciado. Los dos canales no son iguales siendo el del aire fresco un poco más grande, por consiguiente la pared de separación no se encuentra en el eje, pero desplazada de 30 cm hacia el canal del aire viciado.
Se hace constar que esta desviación es independiente de la profundidad de la barrenación; porque depende únicamente del tamaño de la perfórádóra. · TUNEL CARRETERO "PALO GRANDE" Localización
Los canales de ventilación están cerrados interiormente por el techo del túnel, con un espesor de 15 cm que está suspendido en la parte central de la pared de separación y apoyado en sus bordes a ranuras continuas"previstas en el revestimiento del túnel. .El techo no es horizontal pero ligeramente inclinado para permitir el escurrimiento de eventuales aguas de condensación. El techo del túnel como también la pared de separación, serán reforzados con mallas de acero y ejecutadas con concreto Rcc/28 300 kg/cm2
Km 12+900 a Km 17+ 200 aproximadamente de la Autopista San Cristóbal-La Fría en los Departamentos de Lobatera. y Cárdenas en el Estado de Táchira República de Venezuela. Descripción Dos tubos paralelos, cada uno de los cuales con dos vías de tráfico y un pozo cPntral dP ventiÍación.
=
Geología Emplazado en toda su longitud en rocas sólidas calizas y lutitas.
Cada 8 m un canal de ventilación secundario permite de hacer desembocar el aire fresco a O cm sobre la acera de la vía rápida.
Flujo de agua esperado durante la construcción:
ta parte inferior reservada al tráfico prevé un gálibo libre de 7.70 m de ancho por 4.5 m de altura, lo que permite obtener dos vías de tránsito de 3.85 m. Entre este gálibo libre y el techo, hay una tolerancia de 40 cm bajo la pared de separación y 25 cm en los extremos. Al borde de las vías de circulación se encuentran las aceras· laterales de un ancho de 90 cm lo que lleva a 9.50 la base del túnel, .a la cota de la calzada.
· La zona de los portales, al norte por unos 700 m y al sur por unos 250 m, se podrá considerar seca. La zona central, al pie del pozo de ventilación por un tramo de unos 300 m donde se puede contar con importantes cantidades de agua. La zona restante, donde se prevé un flujo de agua moderado.
Bajo las aceras se encuentran, de un lado, ocho tubos de P.V.C. para cablps (6 dP 10 y 2 dP 12 cm dP diámPtm) y dPI otro tres tubos de P.V.C. para cables (8 cm de diámetro) y la tubería de agua a presión que sirve para alimentar los hidrantes; todos estos tubos están embutidos en concreto. Los bordes de las dos aceras están delimitados por brocales prefabricados, con sumidero continuo. El espacio que quede entre la línea efectiva y teórica de excavación, a la base del túnel, se rellenará de concreto.
Trazado del. túnel La longitud del túnel de aproximadamente 4 200 m puede ser dividida en dos zonas: La zona de los portales, donde una primera parte rectilínea (de unos 375 m al sur y 265 al norte) sigue una curva circular con radio medio de 700 m y que se extiende a unos 585 m al sur y 605 m al norte. La distancia entre los ejes de los dos túneles es de 25 m en la pi-ímera párte rectilínea para llegar a 30 m al final de las curvas. · La zona central rectilínea tiene una longitud t~tal de unos 2 335 m, la distancia entre los ejes de los túneles es constante en todo este tramo e igual a 30 m.
Bajo la calzada, formada por una sub-base en macadam de 25 cm de espesor, una pavimentación en concreto Rcc/28 280 kg/cm2 de 20 cm de espesor, armado con mallas de refuerzo, se colocará en el eje de la vía oeste de cada túnel un desag1,1adero formado por un tubo de concreto de 60 cm de diámetro.
Las distancias dadas anteriormente se entienden por término medio, pues la longitud de los dos tubos no es igual: el del este es de casi 4&.6 m más largo que el del oeste.
Solamente bajo la calzada de la vía lenta del túnel este se colocará una tubPría dP acPro dP 20", SPgún lo rPquPrido por PI Instituto Nacional de Obras Sanitarias (INOS).
=
194
Tanto la calzada como las aceras tienen una pendiente del 2% hacia el Oeste para favorecer el escurrimiento de las aguas de lavado o de eventuales infiltraciones.
del túnel. Esta agua descarga a través de los respectivos colectores de fundición de 20 cm de diámetro, en la correspondiE>nte boca de visita del dE>saguadero.
Sistema de drenaje.
E1drenaje de la base de la calzada será garantizado por agujeros colocados a intervalos de 2 m a. lo largo de todo el desaguadero. Ver figura 15.
El revE>stimiento del túnel tendrá un módulo de 8 m y entre cada elemento se dejará una junta abierta, de 70 cm de ancho, por todo el perímetro del perfil con el objeto de captar las aguas de infiltración y drenar así la rota.
Excavación Se realizará la excavación de la sección superior como primera etapa.
De cada fado de fa junta abierta, un colector de 8 cm de diámetro encanala el agua y la descarga en la cuneta del brocal. En caso que sea necesario, se podrán hacer unas perforaciones de drenaje radiales desde la junta abierta.
Ciclo de excavación
Esta última será recubierta en fa parte inferior con una cober·tura de aluminio. En cada canal de ventilación se colocará cada 56 m, tras un pequeño sumidero, un tubo de desagüe de 3 cm de diámetro que descargará en la junta abierta.
a)
Trazo topográfico y acercamiento de equipo 0.5 hr
b)
B?rrenación (Dos yumbos equipados con 4 perforadoras c/u)
Los brocales con sumidero continuo, ubicados a ambos lados de la calzada, recogen el agua de infiltración y la de lavado
Longitud de barrenación *
1.
= 30 min.
· 3.2 m
TRANSVERSAL·
SECCIOl;
.E;{CAVACJON
GALERIA SUPERIOR
1~
~ ¡)1
¡(' l 1
1 • 74 m
\ \
gS
\
-
/ ..
BANQUEO
/
1
~
\
\
p.
\
1
\
~~, ___
...
~<,!
"'
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\
i
'"Y'Z..... ;/ Fig. 15
J
~,-.'"'"~J:r -,
,-
-~'7'
.
1
\
\
/
,,
\ ___ ;,,... J
Sección transversal del túnel
1
7"~"''"" - - -.- _¡
2.
e)
Longitud real excavada 0.9 X 3.2 :!:
2.9 m
3.
Número de barrenos de 1 7/8"
77
4.
Número de barrenos de 3"
5.
Longitud de barrenación (4)) 3.2 ( (3)
252.8 m
26.
Volumen cargado por hora
90 m3fhr
6.
Número de perforadoras (2 yumbos de 4)
8
27.
7.
Velocidad de barrenación * * 12 m/hr
Tiempo de rezagado ( (16) + (26))
2.30 hr
8.
Tiempo de barrenación
28.
Resumen ciclo:
(
5) (6) X (7)
2.63 hr
Número de unidades cargadas por hora: 60 min/hr x 0.75 15 Unid. (23) + (24)
= 158 m in.
5 min.
10.
Número de cargadores
8
11.
Tiempo de 3) X (9)) carga (10)
=( (
0.83 hr
= 50 min.
0.34 hr
= 20 min.
e)
Ventilación
0.50 hr
= 30 min.
f)
Rezagado
13.
Area de ·la sección superior a Línea "B"
15.
Volumen de excavación a Línea "B" ( (2) X (14))
146.2 m3
16.
Volumen de rezaga ((15) X (1.4))
204.7 m3
18. 19.
20. 21.
2.5 yd3
Capacidad real ( (18) x factor de llenado para material de voladura bien fragmentada) Capacidad de la unidad de acarreo
23.
2 yd3
2.63
158
Carga
0.83
50
Conexión, retiro equipo
0.34
20
Ventilación
0.50
30
Rezaga
2.30
138
Varios
0.50
30
Ciclos por día efectivo (de 20 hrs)
2.6
Avance por día efectivo ) ( (29) X
7.54 m
Longitud por excavar en cada frente
32.
Días E>fE'ctivos ((31) + (30))
279
33.
Días calendario (32) X 365 + 300
340
34.
Rezagadora Cat. 977-L descarga lateral
Ciclo de acarreo de los volteos Espera ·
1.8 min.
Posicionamiento
0.6 min.
Carga de la unidad
2.4 min.
= 60 min/hr =
= 1.53 m3
2.1 km X 15 km/hr
8.4 min.
Acomodo y desca·rga
1.5 min.
Regreso vacío
Número de ciclos del cargador pua llenar cada unidad de acarreo ( (20) + (19) ) Tiempo del ciclo básico del. cargador· Tiempo de llenado de cada unidad ( (21) X (22))
2100 m
Recorrido cargado
= 1.91 m3
6.0 m3
=
22.
50.4 m3
Capacidad nominal del cucharón
Barrenación
31. 135.4 m3
14.
17.
29.
46.7 m2
Volumen de excavación a Línea "A" ( (2) X (12))
Minutos 30
7.60 hrs 456 min.
30.
Area de la sección superior a Línea "A"
= 138 min.
Horas 0.50
Trazo
Tiempo de carga por barreno
12.
0.60 min.
=
Conexión, retiro de equipo y tronado
•
25.
Carga de explosivos 9.
d)
Tiempo de posicionamiento
2
+
=
24.
2.1 km 35.
4
= =
x
60 min/hr 20 km/hr
Número de viajes por hora unidad
=
60 min/hr X 0.75
0.60 min.
21 min/viaje 2.40 m in.
36.
Se usarán perforadoras montadas D93AR con carro para admitir barras de 12 pies de longitud.
=
90 m3fhr
196
2.14 viajes/hr
Número de unidades nE'CE'sarias
=
2.14 viajE>s/hr x 6m-'/viajE' Ver nomograma E'n anE>xo No. 1.
6.3 min. 21.0 min.
7
ANEXO 1 DPtNmina~ión
dP la vPiocidad mPdia dP barrPnación, para las siguipntPs condi< DiámPtro dP broca
1 7/8"
PrPsión dP airP
90 Lbs/pulgl
Consumo dP airP
250 pipsl/min.
NúmPro dP cambios
Uno
Tipo dP roca
Cali.za mPdia
Condicionps dP trabajo
MPdias (subtNránE>o)
VELOCIDAD
BRUTA
E
BARRENACION
DE
PIES/M 1 HR
40 112
30 Pieo1111J !!JIOI 3>1 3 6 19 11 !!J 10_1 2016 M· 11·.!1 3 Plei¡M 113 5 11·5 1013
3o¡
Pin¡
Pie~¡ M
b
1
5
30
PULG/MIN, CM/MINo
27
PULG.
4
MM.
102 aa 7!1
3
1~
112
,.
40
3019
60
21 -' 501
2.!1
2.2!1
2
63
!17
!10
40
•
OIAMETRO
12 30
9
20
1.!1 3B
MALAS
1VELOC1DAO
DE PENETRACION EN GRANITO
1
10
1.7!1
MEDIANAS
112
6
44 DEL
BUENAS
~
3019
15
CONDICIONES DE BARRENACION
RAZONABLES
20[&
24
..
l1a
!101
2016
70
3.5
9
IOh
11·!1
60
!!OJI!!
40
ionP~
1.375
BARRENO
E stl maclo'n del fndk:e de barrenoclon con per foradciras de roca de percus1on.
197
~12
M/Hr.
------------------------------
REQUERIMIENTOS DE AIRE COMPRIMiqO
No.
Consumo unitario piPs 3/min.
Consumo total pipsl/min.
Pprforadora D93AR
8
250
2 000
Bomba dP sumidPro M-15
2
160
320
2
160
320
lanzadora aliva
1
800
tlOO
Bomba Stabilator
1
4
4
Tolva agragados y cPmPnto
1
300
Equipo a)
b)
Barrpnación
AnclajP Pprforadora dP f:'Spiga
e)
Concrf:'to lanzado
30
--3 744·
Corrección por altura sobre el nivel del mar (4 000 pies
=
1 220 m);
Multiplicadores para consumo de aire de perforadoras Consumo de aire comparado con el consumo de aire o nivel del mor poro pres•ones monometrlcos en lo perf01odoro de 70 o 90 lbs.
Alt uro en pies
o
1000 2000 3000 4000 !5000 6000 100~ 8000 9000 10000 12000 1500o ------- l.i741.2i3 Ws 1.2 98 00 l397 1.520 -1.665
1.00 1.032 J. 063 1.100 1.136
Estos mu ltiplicodores eston basados en un ciclo completo de expqrskin odiabotico 11-os perforadoras operan entre uno expansión odlabatico y un ljiCio de tarjeta cuodrodo.l>or lo tonto, los cantidades proporcionadas representan valores de seQurldod'. Pueden obtenerse multiplicadores basados en el ciclo de tarjeta-cuadrado dividiendo el índice de compresión en altura entre el ind•ce de compresion a nivel del mor. Para -calcular el cuadro se uso un valor poro n de 1.3947. Se supuso que los temperaturas y presiones monometricos en las que estaba basado el consumo de aire a nivel del mar,novarforian con la altitud.
---·-------= ________.4 253
3 744 X 1.136 ..
_Corrección por factor de diversi,dad (0.85) - - - - Capacidad nominal del. banco df:' comprf:'sores: ····--·--·-··-·-- ... - __ _
3615 .j.
_..A 000 pil:'s 3/min.
3 61 S 0.9
198
EQUIPO DE PERFORACION
'
1
1· 5~-8"~m-•-+--• ---
173
1
12'·11" 394
cm
-----1 . .
EQUIPO DE TRANSPORTE
EQUIPO DE CARGA
199
ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES
M. A. Nava Uriza
1. 1.1
PREPARACION DE PROYECTOS Etapas de un proyecto
En su etapa de estudio, el proyecto se puede definir como el conjunto de antecedentes que permiten juzgar las ventajas y desventajas que presenta la asignación de recursos económicos, a un centro o unidad productora, donde serán transformados en determinados bienes o servicios.
Selección de los proyectos. Preparación de anteproyectos que permitan justificar la asignación de recursos para estudios más avanzados.
e)
Elaboración de anteproyectos que permitan determinar relaciones entre las realizaciones posibles.
d)
Calificación de prioridades entre los proyectos estudiados.
e)
Preparación de proyectos finales.
f)
Montaje de nuevas unidades productoras.
g)
Puesta en marcha y funcionamiento normal de las unidades productoras.
2.
Determinación del tamaño y localización.
3.
Ingeniería del proyecto.
Financiamiento, organización y ejecución.
Los proyectos agropecuarios abarcan todo el campo de la producción animal y vegetal. Las actividades forestales y pesqueras se consideran a veces como agropecuarias y otras como industriales. Los proyectos de riego, colonización, reforma agraria, extensión y crédito agrícola y ganadero, mecanización de faenas y abono sistemático, suelen incluirse en los proyectos complejos de esta categoría, aunque individualmente pudieran caÍificarse como proyectos de infraestructura y servicios. Los proyectos industriales comprenden toda la actividad manufacturera, la industria extractiva y el procesamiento de los product?s de la pesca, de la agricultura, de la actividad pecuaria y los extractivos.
El Manual de Proyectos de Desarrollo Económico de las Naciones Unidas, define como válido en el análisis de un proyecto de inversión, el desarrollo de las etapas o temas de estudio de la siguiente manera: Estudio de mercado.
6.
Desde un punto de vista económico, la clasificación más corriente de los proyectos de producción de bienes y de prestación de servicios corresponde a la división de la economía en sectores de producción. Este enfoque sectorial permite clasificar los proyectos en: agropecuarios, industriales, de infraestructun social, de infraestructura económica y de servicios.
En la etapa de estudio, el aspecto económico es lo que se considera principalmente (etapas a, b, e y d), mientras que una vez decidido llevar a cabo la iniciativa, se da mayor interés al aspecto técnico (e, f y g).
1.
Presupuesto de gastos e ingresos anuales y organización de los datos para la evaluación.
Existe sin embargo interdependencia entre ellos, por lo tanto el estudio del proyecto se aborda de hecho simultáneamente por varias partes, llegándose al planteamiento de soluciones finales mediante un sistema de aproximaciones sucesivas.
En un esquema ideal, el proceso de elaboración y selección de proyectos posibles debería pasar por las siguientes etapas:
b)
Cálculo de las inversiones.
5.
Desde luego la importancia que se le asigne a uno u otro punto del esquema general variará según la naturaleza del Proyecto o según las circunstancias locales, y el orden de presentación no es necesariamente el orden en el que se . pueden o deben estudiar.
Si se. decide llevar a cabo la iniciativa, se entra en una etapa dé realización, y el proyecto pasa a ser el conjunto de antecedentes y planos que permiten montar aquella unidad pro· ductor a.
a)
4.
Los proyectos de Infraestructura Social, tienen la función de atender necesidades básicas de la población, como salud, educación, abastecimiento de agua potable, redes de alcantarillado, vivienda y ordenamiento espacial urbano y rural. Los proyectos de infraestructura económica, inclu~en los proyectos de unidades directa e indirect'amente productivas
200
que proporcionan a la actividad económica ciertos insumos, bienes o servicios, de utilidad general, tales como energía eléctrica, transporte y comunicaciones:
b)
. Se trata de encontrar índices de evaluación que permitan comparar las ventajas y desventajas de tomar la acción A o B para alcanzar el objetivo formulado r n el paso previo. Normalmente son cocientes del tipo:
Esta categoría comprende los proyectos de construcción, modernización y conservación de carreteras, ferrocarriles, aeropuertos, puertos y navegación, centrales eléctricas y sus líneas y redes de transmisión y distribución de sistemas de telecomunicaciones y sistemas de información.
lndice de evaluación Ventajas · o efectividad (1) Desventajas Por ejemplo: kilómetro/litro de combustible en el diseno de automóviles, costo de construcción en el diseno sísmico de una torre de oficinas, la tasa interna de retorno eri una nueva planta productora, etc.
=
Los proyectos de servicios, finalmente, son aquellos cuyo . propósito no es producir bienes materiales, sino prestar servicios de carácter personal, material técnico, ya sea mediante el ejercicio profes[onal o a través de instituciones. Se incluyen entre ellos los trabajos de investigación tecnológica o científica, la comercialización de los productós de otras acti. vidades y los servicios sociales que no estén incluidas en la infraestructura social. 2.
Asimismo, en la selección de las medidas de efectividad se presenta en muchas ocasiones un problema de relación no lineal entre la medida y el valor, por ejemplo, el primer plato de comida cuando se está hambri~nto, no tiene el mismo valor que cuando se lleva ya el cuarto o el quinto.
EVALUACION DE PROYECTOS
La palabra evaluación indica un proceso de comparación de ventajas y desventajas que se observan al tomar éste o el otro curso de acción. Este proceso puede hacerse antes, (valuación de alternativas) durante (control y chequeo de la realización del proyecto) y después (verificación de resultados con la operación del proyecto, con respecto a los calculados).
e)
Excepto para problemas muy restringidos, para los cuales una cerrada formulación matemática es factible, no es razonable considerar todas las posibilidades. Inclusive aún si fuese probable pensar en todas las variantes, el sentido común sugiere que la investigación de todas las alternativas no tiene valor; ya que algunas no son suficientemente diferentes como para efectuar un análisis para cada una y otras claramente dominan sobre otras.
La asignación de recursos es un problema común en toda la amplia escala del diseno en ingeniería, industria y administración. Normalmente es parte de un proceso en el análisis de proyectos y en general, conlleva las siguientes etapas: Definición de objetivos.
b)
Formulación de medidas de efectividad.
e)
Generación de alternativas.
d)
Evaluación de las alternativas.
e)
Selección de la alternativa.
a)
Generación de alternativas
Dado que el esfuerzo de todo. el análisis es lograr el objetivo de descubrir o especificar la mejor solución al problema en cuestión, el analista deberá realizar un esfuerzo considerable en la exploración de un amplio rango de soluciones posibles. La pregunta es:.¿con qué intensidad y hacia dónde debemos mirar?
Por lo anterior la evaluación se puede considerar como una . etapa del diseno, pues en términos generales se consagra al detalle de cómo los hombres, el dinero y los materiales se deben combinar para alcanzar un gran objetivo.
a)
Formulación de medidas de efectividad
d)
Evaluación de alternativas
Debemos distinguir entre evaluar los efectos de cada alternativa y el seleccionar una solución particular. · La evaluación de las alternativas consiste en relacionar cada alternativa con sus efectos y observar sus ventajas y desventajas a través de los índices de efectividad (costos, beneficios, impacto en la comunidad, etc.) prefijados.-
Definición de objetivos
Ningún análisis lógico puede hacerse si no se procede primero a precisar los objetivos. Estos pu~den ser por ejemplo: la producción, venta y obtención de utilidades en una nueva planta por instalarse, para la sustitución de importaciones, o la producción de energía eléctrica mediante la construcción de una presa, etc. El analista tiene la obligación profesional de cuidar que su estudio esté planteado inteligentemente para que sirva de base en la toma de decisiones, por lo tanto, deberá ser lo más claro posible y permitir conocer las implicaciones de dichos obje~ivos para tomarlas en cuenta.
La selección es una actividad dí.ferente al proceso de evaluación que es una actividad mecánica, pues consiste en ef exámen de Jos efectos de cada alternativa y la comparación de sus valores relativos para una toma de decisión respecto al grupo que se prefiere. Se trata principalmente de una cuestión de juicio y de valorización. La distinción no es generalmente muy clara; por ejemplo en muchos estudios de beneficio/costo la diferencia entre estas 2 fases es por definición prácticamente inexistente, ya que el diseno se hará con la relación beneficio/costo más alta aceptable.
En general se pueden distinguir 2 ciases de objetivos: los que caen en el área de intereses del sector privado y los que están dentro del área de interés delsector público o social.
201
donde:
e)
l'inalmente, la selección es el arte de balancear todas las requiere de la aplicación de juicios de valor a las medidas de efectividad, objetivamente deducidas, mismas que constituyen las salidas del proceso de evaluación. consecuencias~
= Capital inicial.
r
= Porcentaje de ganancia o interés del capital.
= Capital al final del período. = Tiempo expresado en números de períodos capitalizables.
La selección como se ve no es únicamente un problema técnico. El analista deberá remover tanto como sea posible cualquier incertidumbre de orden técnico, para el que toma las decisiones.
Los plazos y las tasas son convencionales. E~is~e ~demás otro efecto del tiempo sobre el dinero que es su perdrda de valor adquisitivo".
Finalmente, es necesario contar con el mecanismo de retroalimentación ya que la implementación de la solución, muchas veces lleva un largo tiempo y es necesario revisar los resultados iniciales, pues constituyen sólo una aproximación preliminar al diseno deseable final. 3.
Ko K n
Esto se debe a una serie de causas que se acostumbra englobar con el nombre de "inflación". Llamando r1 a la tasa de ganancia del dinero y r2 a la pérdida de poder adquisitivo tenemos:
CRITERIOS DE EVALUACION
K futuro
Se distinguen dos grupos principales en los criterios de evaluación: por un lado los índices de comparación de proyectos se formulan conforme a los objetivos del empresario privado y por el otro conforme a los de la colectividad en su conjunto, se conocen como criterios privado y social respectivamente.
= K inicial (1 + r,)"(1 +
(3)
r2l"
(4) Normalmente:
r, r2 < < r,
r, r2 < < r2
El primero se emplea como una valoración (generalmente monetario para fines de homogenización) a precios de mercado pues, interesa maximizar utilidades. En el segundo la valorización se hace tanto a precios de mercado como a costo de oportunidad (también monetario).
Así que si hacemos r,
+
Kf
r2
=r
= Ko(1 + r)"
(5)
Normalmente r es el precio de mercado del dinero Y lo conoceremos solicitando un préstamo a un banco.
El precio de mercado será representativo del valor real de los bienes y servicios si funcionan libremente las leyes de la oferta y la demanda en condiciones de competencia perfecta, con ocupación plena de todos los recursos y completa movilidad de los factores de producción cuando estas condiciones no se cumplen, que es la situación normal, debido a las condiciones estructurales de la economía, el sistema de precios se ve deformado.
Como se vió anteriormente los cálculos de evaluación abarcan toda la vida útil del proyecto, por lo que habrá que operar con valores monetarios correspondientes a transacciones realizadas en distintas fechas. Para que tales magnitudes sean comparables, es necesario hacerlas homogéneas respecto al tiempo, empleando para ello equivalencias financieras.
El costo de oportunidad es aquél en el que se incurre cuando se desvía un recurso del capital hacia un fin distinto al que se tenía asignado, dejando de producir en una actividad inicial Por ejemplo este concepto es de gran importancia en los ca· sos en que habiendo desempleo se piensa utilizar la mano de obra disponible para la realización de un proyecto la cual será remunerada con el salario mínimo.
Las equivalencias financieras más utilizadas en la evaluación de proyectos son el monto compuesto, el valor presente, el valor presente de una serie.de valores y el factor de recuperación del capital. a)
Monto compuesto (interés compuesto)
En este caso, el precio de mercado de esa mano de obra es el salario mínimo, sin embargo el costo ·de oportunidad de la misma será cero, ya que no se está distrayendo de ninguna otra actividad productiva.
Se utiliza para determinar el valor equivalente que tendrá una cierta cantidad actual, al cabo de (n) períodos acumulando a una tasa de interés (i) por período. (Como se muestra en la Fig. 1.)
4.
Valor inicial: lo Valor al final del período 1: l1 lo
CONCEPTOS DE ACTUALIZACION
= + i lo = (1 + i) lo
El. dinero tiene un valor que es función del tiempo, por ejemplo, si colocamos un capital en un banco éste nos proporcionará un pago porcentual como ·ganancia al cual llamamos interés.
Valor a! final del período 2: l2
Valor al final del periodo n: In
Este monto lo calculamos con la expresión: K == Ko (1
+
Al factor (1
r)"
202
+
= 1, + i l1 = = (1 + i) l1 = (1 + = (1 +
l)"'o
i)21 0
(6)
(7) (8)
i)" se le llama factor de interés compuesto.
Al factor (1 + i)" - 1 1 se llama factor de actualización . (1 + i)" de una serie uniforme de valores. d)
Factor de recuperación del capital
Se utiliza para transformar un valor inicial en una serie uniforme de valores iguales equivalentes. (Véase figura 4.) Este proceso es el inverso del anterior, o sea que:
1 Períodos Al factor Fig. 1
Monto compuesto
(1 (1
+ i)" -1 + i) n 1
1
(11)
o
--'-,_(1'--'+--"i)~~"-;-se le llama factor de recuperación de (1
+
1)0
-
1
capital.
Valor presente
b)
=
Se udliza para determinar el valor equivalente actual que tendría una cierta cantidad correspondiente al final del periodo n. Este concepto es el inverso del tratado en el inciso anterior (véase Fig. 2).
o
3
1.
4
Períodos
In
l o= (1
+
Fig. 4
i)" 5.
Factor de recuperación del capital
RENTABILIDAD Y RELACIÓN BENEFICIO-COSTO EN EL CASO DE CARRETERAS.
Existen varios métodos del análisis económico que son aplicables a la evaluación de alternativas de proyectos de inversión, los cuales pueden enumerarse como sigue: 3
2
4
n
1.
Método del costo uniforme anual equivalente o método del costo anual.
2.
Método del valor pre4nte para:
Períodos Fig. 2 e)
Gráfica del válor presente.
Valor presente. de una serie de valores
Se utiliza para determinar el valor equivalente actual de una serie de valores iguales correspondientes a .los períodos 1, · · 2, ... , n. (Fig. 3}. Aplicando el concepto del valor presente anteriormente vis· . to, se llega a:
lo
=
(1 + i)
(1
+
1' (1
+
... + - - '12 + (1 + i)". (1 + if iJ
=
+
i)" - 1 (1 + i)"
(10)
"'...
!C. 3
4
b)
Los beneficios
e)
Los beneficios menos los costos, generalmente llamado valor presente neto.
3.
Método de la tasa interna de retorno.
4.
Método de la relación beneficio-costo.
5.
Efectividad-cost~ o costo-efectividad.
n
Los siguientes incisos consideran brevemente las características esenciales de cada método, y algunas de sus limitaciones y ventajas.
Períodos Fig. 3
Los costos
Estos métodos tienen la particularidad común de considerar flujos futuros de costos o de costos y beneficio, de tal manera que las alternativas de- inversión se pueden comparar. Las diferencias en el valor dei dinero a través del tiempo se reflejan en las ecuaciones de interés compuesto que se utilizan, las cuales se constituyen en un medio para hacer tales comparaciones.
•111
2
a)
Valor presente de una serie de valores
203
.5.1.
El factor para obtener los "descuentos" de costos o benefi-' cios es:
Método del costo uniforme anual equivalente
El método del costo anual uniforme equivalente combina los costos iniciales de· capital y los gastos futuros periódicos, en pagos iguales anuales en el horizonte económico considerado.
fvp
Puede expresarse como sigue: CA(X,n)
(14)
donde:
== frc CCI(X) + CAPMO(X) + CPAU(X) (X,n)
= factor del valor presente para una tasa período n. i = tasa de actualización o "descuento" n = horizonte económico del estudio.,
fvp
frc VR (12)
i y un
E1 método del valor presente para el caso en que se consi,deran sólo los costos es el sigu~ente:
donde:
==
Ca(X,n)
frc
1 = ---'-----(1 + i)"
=
Costo anual uniforme equivalente para la alternativa X para una vida útil o periodo de análisis den anos. factor de recuperación del capital para una tasa de interés i en un plazo de n anos fcr
==
i (1 (1
+
+ i)n
t=n
VPCT(X, n) = CCI(X)
+E t=O
fvp[CC(X, t)
+
CMo(X, t)
+
CU(X."t) - fvp VR( +, n)
(15)
donde: (13)
VPCT(X, n)
i) n- 1
= valor presente del costo total para la alternativa X, en el período de n anos.
CCI
=
CAPMO CPUA
==
VR(X,n)
=
CCI(X)
Costo del capital inicial de construcción (incluye los costos actuales de construcción, costo de los materiales, costo de ingeniería, etc.) para la alternativa X. Costo anual promedio de mantenimiento más costo de operación para la alternativa X. Costo promedio anual del usuario para la alternativa X (incluye costos de operación del vehículo, costo del tiempo de viaje, costo de los accidentes): Valor del rescate en caso de que se considere para la alternativa X al final de los n anos.
alternativa X (en el ano cero o de base) CC(X, t)
= costo del capital de construcción, etc., para la alternativa X en el ano t, donde t
f"p CMO(X, t)
< n.
= factor del valor presente. =
costos de mantenimiento y operación para la alternativa X en el ano t.
CU(X,t) = costo del usuario o costo de recorrido (incluye costos de operación del vehículo, tiempo de viaje, accidentes, etc.). para la alternativa X, en el ano t: VR
= valor de rescate, si lo hay, para la alternativa X, al final del período de diseno y horizonte económico (n anos) o vida útil.
Esta ecuación considera costos anuales, mantenimiento y operación del usuario sobre uria base promedio. Esta simplificación puede ser satisfactoria para muchos objetivos. En el caso en que tales costos no se incrementen uniformemente, se puede utilizarun factor de crecimiento experimental.
El valor presente de los beneficios puede calcularse de la misma manera que el valor presente de los costos, utilizando la siguiente ecuación: n
El atractivo básico de este método en su simplicidad y facilidad de compresión. Sin embargo no puede ser utilizado, excepto intuitivamente, para determinar si un proyecto es o no económicamente justificable, de~ido a que no incluye los beneficios en la evaluación. En consecuencia , la comparación entre alternativas debe hacerse sobre la base de su costo únicamente, con la inherente suposición de que todas tienen iguales beneficios. Sin embargo, especialmente donde se invo!ucren diferencias en los costos de operación de los vehículos esta suposición es cuestionable. 5.2
= costo del capital inicial de construcción para la
VPBT(X n)
=
I: fvp [BDU(X, t)
+
BIU(X, t)
+
t=O
BINU(X, t)] (16)
donde: VPBT(X, n)
= valor presente de los beneficios totales para la alternativa X en el horizonte económico n.
BDU(X, t)
= beneficios directos al usuario correspondientes a la alternativa X para cada ano
BIU(X, t)
Método del valor presente
t.
= beneficios Indirectos al usuario correspondientes a la alternativa X para cada ano t.
El método del valor presente puede aplicarse o sólo con los costos, o sólo con los beneficios o con los costos y beneficios juntos. Involucra la transformación de todas las sumas futuras al presente, utilizando una tasa apropiada de descuentC' o actualización.
BINU(X,t)
= beneficios
indirectos a no usuarios correspondientes a la alternativa X para cada ano t.
Debido a las dificultades para medir los beneficios indirectos al usuario y los beneficios indirectos a no usuarios, es común.
204
considerar en el análisis únicamente l~s beneficios directos. Las técnicas avanzadas de investigación de operaciones como los "árboles de decisiones", las curvas de utilidad, la probabilidad subjetiva, etc., están permitiendo en algunos casos estimar tales beneficios.
'Este método tiene su mayor ventaja en el hecho de que los resultados se pueden entender como un retorno o desembolso que proporciona una "inversión" en el mundo de los negocios. 5.4
En el caso en que se consideran beneficios y costos se le conoce como "Método del valor presente neto", y no es más que la simple diferencia entre el valor presente de los benefi. cios menos el valor presente de los costos. Obviamente los beneficios deberán exceder a los costos si el proyecto se va a estudiar sobre un resultado positivo económico. Este método es el que se emplea en la evaluación del proyecto de carreteras frecuentemente. La ecuación para este caso se simplifica como sigue: VPN(X)
= VPBT(X, n)
- VPCT(X, n)
(17)
El método de la relación beneficio-costo tiene tal vez la más amplia aceptación y uso en el campo de las carreteras que en cualquier otro. Involucra expresar la relación entre el valor presente de los beneficios de una alternativa con el d~ sus costos, o también la relación entre el beneficio uniforme anual equivalente y los costos anuales uniformes equivalentes. Los beneficios se establecen también mediante la comparación entre alternativas y comúnmente se utiliza la alternativa cero como base de comparación. Utilizando la fórmula del valor presente neto, que es preferida por muchos ingenieros, la relación beneficio/costo puede expresarse como sigue:
Los beneficios y los costos de un proyecto son relacionados y expresados como un valor simple.
b)
Los cálculos son muy simples y directos.
e)
La respuesta se da como un pago total para el proyecto.
d)
Todos los costos y beneficios son expresados en términosmonetarios actuales.
donde: RBC(X, y, n)
= valor
presente de los beneficios y costos totales respectivamente para la alternativa X.
.
VPBT(y), VPCT(y) Los resultados en términos de una suma, pueden no ser tan fácilmente entendibles para ciertas gentes como lo es la tasa interna de retorno o un costo anual.
= valor
presente de los beneficios y costos totales respectivamente para la alternativa y.
Los cálculos de la relación beneficio-costo para un conjunto de alternativas propuestas se hacen con base en la comparación con la alternativa base o estándard. Así, aquellas alternativas que tengan una relación mayor que 1.0 se ordenan de acuerdo a sus valores crecientes. Comparando los incrementos en Jos costos y procediendo sobre la base de comparar parejas de alternativas, se busca la más económica.
'---
Método de la tasa interna de retorno
El método de la tasa interna de retorno muy utilizado en el sector de transporte, considera tanto a los costos como a los beneficios y determina la tasa de descuento o actualización a la cual los costos y los beneficios a lo largo de la vida útil de un proyecto son iguales. Puede expresarse en términos de la tasa a la cual el valor presente de los costos es exactamente igual al valor presente de los beneficios, esto es:
= VPCT(X, n)
(19)
= relación beneficio costo de la alternati-
VPBT(X), VPCT(X)
Proyectos de diferente vida útil, y etapa de desarrollo pueden ser comparables en forma sencilla y directa.
VPBT(X, n)
- VPBT(y) VPCT(X) - VPCT(y)
va X, comparada con la alternativa y (donde X conduce a los beneficios más grandes y representa la inversión mayor), sobre un período de análisis de n años.
Entre las desventajas:
5.3
=·VPBT(X)
' y,
a)
a)
n)
RBC(X
Ventajas y desventajas de método Entre ias ventajas se ·tiene:
e)
Método de la relación beneficio/costo
,.
la mayor desventaja de este método radica en la naturaleza abstracta ~el índice, el cual es difícil de comprender por sí mismo. Otra des;entaja es la posible confusión sobre si reducciones en los gastos de mantenimiento, deben aparecer en el numerador o en el denominador. Esto es, si reducciones en los gastos son beneficios o costos negativos.
(18)
5.5
Cuando se aplica este criterio, cada alternativa primero se compara con una alternativa base que podría ser la alternativa cero, es decir, no hacer nada, para así poder establecer diferencias entre los beneficios de las diferentes alternativas. Utilizando la ecuación anterior se puede entonces calcular la tasa de retorno para todas las alternativas en estudio.
El método efectividad-costo ó costo-efectividad
Este método puede utilizarse para comparar alternativas donde se tienen beneficios significativos derivados del proyecto que no son expresables en términos monetarios. Involucra una determinación de lás ventajas y beneficios que se obtendrán en términos subjetivos, por gastos adicionales. Esto requiere que se establezcan medidas subjetivas de efectividad o de beneficio, J:!Or ejemplo: índices para medir el·confort de los usuarios de autopistas y vías rápidas; índices para medir la incorporación de grupos económicamente aislados, incre-
Sin embargo, esto es sólo una comparación con la base, y es necesario también calcular la tasa interna de retorno mediante comparaciones entre pares de alternativas.
205
tos. Sin embargo, las medidas de efectividad no pueden reducirse a una base de valor presente; por lo tanto, deben ser representados o por sus valores promedio o sobre algún período o por valores en un cierto tiempo específico.
mento en el ingreso familiar en las áreas de influencia, de una nueva red de caminos, disminución de los accidentes de tránsito debidos al camino por mejoras en la educación vial, (la inversión por habitante es un ejemplo de estos índices en el caso de caminos rurales en México), etc.
Cuando se utilice más de una medida adicional de efectividad se deberán asignar pesos a cada medida, lo cual requiere de un juicio de valor o de prioridades.
.Los gastos o desembolsos en este método de análisis generalmente se expresan en términos del valor presente de los cos-
206
LA ILUMINACION DE TUNELES Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO
Material proporcionado por el personal técnico de Philips Mexicana, S.A. de C.V., Divisón Al'umbrado.
INTRODUCCION Desde tiempos inmemoriales, los ríos y montanas han constituido siempre un obstáculo para el tráfico y la comunicación del hombre. Sin embargo, el hombre, gracias a su ingenio, ha logrado en el transcurso de los siglos salvar todas estas barreras, valiéndose de puentes, viaduCtos o túneles. Un ejemplo muy representativo son las construcciones ac· tuales de varios túneles en la república mexicana. ·
p
Fig. 1
El objetivo de estas obras siempre es una mejor seguridad y comodidad de los conductores de miles de vehículos que diariamente circulan por la red de carreteras de México, tanto en el día como en la noche, cuándo se baja la intensidad del tráfico si no se aumenta la velocidad proQ'ledio.
-El diagrama polair del luminaria. Con estas curvas se define cómo la luz sale del sistema óptico. Cada dirección dada por los dos ángulos e y ex corresponde con un valor de intensidad lumínica 1(cd = candela) (Fig. 2).
Uno de los aspectos más determinantes para una seguridad adecuada del automovilista es el sistema de iluminación del túnel. En el transcurso de esta presentación se verá la complejidad del problema de la iluminación del túnel por las variaciones en las condiciones que definen la visibilidad del conductor al momento en que se acerca al· túnel.
2.
Luz que recibe el punto P
TEORIA BASICA DE ILUMINACION
El corazón.de cada instalación de alumbrado es la fuente luminosa; la' lámpara. La lámpara, por medio de su filamento o su tubo de descarga de gas, transforma la energía eléctrica suministrada en una emisión de energía electromagnética, la luz . . -~
_Fig. 2
';
Localizac1on de los ángulos ex y
e
La cantidad de luz emitida por la lámpára, se llama "flujo lu· minoso" (lúmenes). La cantidad de luz depende del tipo y la · potencia de la lámpara utilizada.
Una vez conoc;idas las curvas fotométricas delluminario y el flujo luminoso de la lámpara aplicada, se puede calcular cuál será eJ nivel de iluminación de·cualquierpunto del plano a iluminar. -
Para un mejor control de la luz y un mayor rendimiento de ella, se instala la lámpara en un sistema óptico de un luminaria.
Este nivel se mide en Lux
= lúmenes fm2.
El nivel de iluminancia horizontal del punto P se cali:ula según:
Así se obtiene una curva óptica que resulta en más luz en el punto P. Aparte de la luz directa, L..d, llegará también un componente reflejado por el difusor y el espejo. (Como se rt;~uestra en la Fig. 1.)
EH- P
Cada lámpara puesta en su propio sistema óptico tiene sus propias curvas fotométricas.
207
=
1 (C, A2ex) cos3ex
(Fig. 3)
(1)
lp
= (\,
X EHp con EHP
Clo
=
1 (C, a) A2
= q (a,/3)
la calidad de la instalación depende de:
la luminancia promedio
Fig. 3
Nivel de iluminancia horizontal del punto P
Para obtener los valores de iluminancia promedio y las uniformidades de iluminancia, se deben calcular los valores de varios puntos P.
= ..!... E
N i=1
la uniformidad general
Uo
EH 1
El color de la luz.
N
E1 costo inicial.
(l mín.) long. (l máx.)
mín.) = (l(l P.M.)
El sistema de guía óptica.
N A2
El costo de operación anual.
Ji cos3a
la uniformidad U1
=
la calidad mínima necesaria depende de la necesidad del usuario por esto la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha definido las normas en base al tipo de calle y tráfico (Tablas 1 y 11).
E M' . rmmo E P.M.
Para la definición de la calidad de una instalación hay que calcular la visibilidad del observador.
3.
q 0 X EH
TEORIA DE ILUMINACION DE TúNELES
la correcta aplicación de la teoría anteriormente discutida, es muy complicada en el caso de túneles.
Con este criterio, la luminancia está dada por la fracción de la luz llegando en el punto P, reflejada hacia el observador e incluye el nivel de iluminancia E y la característica del pavimento qo- según:
=
Ul
(cd/m2)
Aparte de estos factores fotométricos, hace falta considerar:
- ..!..._1_ E
la iluminancia l
la uniformidad longitudinal
= =
El deslumbramiento, la luz directa que disminuye la visibilidad del conductor.
N
. El promedio
['
la alta intensidad del tráfico en los tramos de los túneles, y las variaciones sumamente grandes en las condiciones que determinan el nivel de adaptación del ojo humano antes de que entre el conductor en el túnel, hasta el efecto sicológico que se demuestra al entrar a un agujero negro, todo esto requiere de una atención especial del ingeniero en iluminación en el momento de disenar una instalación de alumbrado para túnel vehicular.
¡cdjm2)
El coeficiente de reflexión q 0 depende de: El color de la superficie. la estructura de la superficie.
El problema se divide en 4-5 etapas (Fig. 5).
la posición del observador (Fig. 4).
1.
Zona de acceso.
2.
Zona de umbral. .
3.
Zona(s) de transición.
4.
Zona interior.
5.
Zona de salida.
Cada zona tiene su criterio específico. 3.1 Zona de acceso El aspecto más importante de la iluminación de un túnel es la adaptación del ojo acostumbrado al nivel de la luz natural, al nivef relativamente bajo en el interior del túnel.
Fig. 4
El nivel al exterior puede variar entre 8 OOQ-10 000 cdfm2 (- 100 000 lux), y el nivel dentro del túnel será de 15 cdjm2
luminancia en el punto P
208
Tabla l.
Clasificaciones de las calzadas (basadas en las recomendaciones CIE)
Clase de calzada
Tipo y densidad de tráfico
Tipo de calzada
A
Tráfico motorizado pesado y de gran velocidad
Calzada con carriles Autopista sin acceso a pasos Autovías de nivel, control total· de accesos
o
"' <'O N
·;::::
B
....oo
~
o
u
;;::
...
-ro ~
e
Tráfico motorizado pesado y de velocidad moderada
Ejemplos
Carretera impoitánte para tráfico motorizado solamente, posiblemente con carriles separados para tráfico lento y/o peatones.
Cr. interurbana. ,Cr. principal
Ctra. rural o urbana de todo uso
Ctra. extra: radio, etc.
Carretera de circunvalación
o Tráfico pesado mixto de velocidad ~moderada
D
Tráfico mixto importante, con una mayor proporción de tráfico lento o peatones.
Calles urbanas o Ctras. comerciales, calles interurbanas de acceso a edificios Calles oficiales o zonas comerciales, etc. turísticas en las que el tráfico motorizado se une al tráfico pesado lento o a los peatones.
E
Tráfico mixto con limite de velocidad y densidad moderada
Calzadas que unen · áreas residenciales y ctras. del tipo A
....oX
~ o u
;;::
...
.-ro 1:-
. ,.
,-
Fig. 5 Etapas de iluminación de un túnel vehicular
209
·ctras.. colectoras (/urbanas, etc.
1~
Zona central
Tabla 11.
Categoría
Recomendación para instalaciones de alumbrado de calzadas de varias categorías (según la publicación No. 12 de la CIE, Edición, 1975). Alrededores
Nivel de luminancia luminancia media en servicio sobre la superficie de la calzada= l med (cdJm2).
Coeficiente de uniformidad
Coeficiente de Coeficiente de lndice del uniformidad control del uniformidad longitudinal deslumbramedía. miento l Mín. G Uo = l Med.
u,
>
A
Cualguíera
2
B 1
Claros
2
2:
2:
T1 (%) S
2:
10
6 0.7
Incremento de umbral.
10
5
Obscuros
6
10
1
Claros
5
20
2
Obscuros
6
10
2
e
Control de deslumbramiento
D
Claros
E
0.4
2
0.5
2
Claros 2
Obscuros
0.5
4
20
4
20
5
20
(150 lux), eso quiere.decir que durante el día la relación de · uno a mil que existe dentro y fuera del túnel, no es ninguna excepción (Fig. 6).
da del túnel) del ca~po visual por estar ajustada la sensibilidad del ojo al nhtel de iluminación del medio ambiente. Este fenómeno se llama "Inducción".
Dos propiedades del órgano de la vista: los ojos y el cerebro, impiden que en tales circunstancias podamos percibir los detalles críticos que es muy importante para la seguridad del tráfico.
la segunda de las propiedades (imitadoras es que el ojo necesita mucho tiempo para adaptarse a otro nivel de iluminación pasando de la luz a la obscuridad (fa dilación de la pupila del ojo) (fig. 7).
La primera.consiste en que el hombre es incapaz de percibir detalles minuciosos en una pequel'la parte obscura (la entra-
Ambos efectos ocurren en los últimos 100 metros antes de entrar al túnel, la zona de acceso.
-
-
~ R.
80 so~----+-----~+-~---+-
o~----~------_.------~----~------_.----~--~~
1000
5000
2000
10000
20000
so 000
100 000
----~•~ EhClux) Fig. 6
Iluminación horizontal recibida en % del tiempo
210
0.001 0.1 7
Dilac16n de la
6
L
~) r
1
=r.
10
14
55
3
100
Pll?ila
2
2000
'· 1
2001 ~~--------~----~--~--~----~---L--~----~---L--~~-----2 3 4 S 6 7. . 8 9 1
Tieup:) (segundos)
1
JT)L
= 0,3142
od,hn2
(millilanbertl
Fig. 7 Dilé!ción de la pupila del ojo El contraste entre los alrededores y la mera entrada del túnel es de 10 000 cdfm2 a 15 cdfm2. El tiempo necesario para que se adapte el ojo humano es de 18 segundos, que corresponde a una distancia de 210 metros a 50 km/hora; y 400 metros recorridos a una velocidad de 100 km/ hora.
Zona de umbral En la zona de umbral el ojo humano tiene que adaptarse del ríivel al exterior del túnel, a los niveles que se pueden obtener con una buena instalación de luz artificial.
3.2
En una distancia de 60..100 metros, el ojo se preparará para los niveles del interior del túnel. El nivel recomendado por las normas internacionales es de 10% del nivel lo(= luminancia al exterior). La longitud de la zona de umbral depende de la localización del punto de_ adaptación (Fig. 8). Generalmerite se ha demostrado que el conductor necesita 15 segundos para la adaptación de sus ojos conservando una probabilidad de percepción de 75%.
la primera medida necesaria entonces, es la reducción de la velocidad máxima en la zona de acceso. Para reducir el contraste y directamente el tiempo necesario para la adaptación, se podria aumentar el nivel de iluminación en la entrada y/o disminuir el nivel de adaptación. lo último se puede lograr por medio de: Aumentando la altura de la entrada para que la parte relativamente Óbscura tenga más importancia en el campo de visión del conductor.
Zonas de transición El último tramo del túnel antes' de la parte central, es la zona de transición. 3.3
Plantar árboles, etc., en los alrededores del acceso del túnel.
En esta zona el nivel de iluminación se reduce del nivel de la zona d~ umbral 500..1 000 cdfm2, al nivel de la parte central ' 1o-s cdfm2. . '
Construir una rejilla arriba del último tramo de la zona de acceso.
la longitud de esta zona depende de la longitud total del túnel, pero en la práctica varia entre 300 y 100 metros.
Usar una pintura obscura para hls paredes del acceso del túnel.
3.4 Zona interior la parte menos critica es.la zona central. Una vez adaptados los ojos por medio de las zonas de acceso, umbral y tran.si-
Sin embargo la reducción máxima que se podrÍa obtener es de 10 000 cdfm2 a 6 000 cdfm2. ·
211
771//11/1111177717/1/1711 /~ 177 717171177 17 liJ.l 11JI/ 171 1ll/~ 117 !7 ~--------------~---------- IE--~----------~--------~
7771717 7 7r17 7777 7/7 7777777 7117771777 lr:.llllll/llllll'jiOII ~
---LE
Fig. 8
·IA
.
~~
Longitud de la zona de umbral
ción, el nivel de luminancia en la zona central de 15 cd/m 2es aceptable y suficiente para la seguridad del conductor.
Resumen
En el caso de túneles muy largos, hay que ver que el sistema de guía óptica sea adecuada. Esto se puede obtener por medio de una correcta posición de los luminarios, y por medio de unas bandas de sombras longitudinales paralelas al eje del túnel. Otro aspecto importante en la colocación de los luminarios, es la distancia .longitudinal entre Jos luminarios. En el caso que la variación brusca en la luminancia delluminario ocurriera con cierta frecuencia, aparecerá el efecto sicológico "Flicker Effect".
Zona de acceso
Sin alumbrado, longitud 250 m.
Zona de umbral
Nivel de luminancia 600 cdfm2. longitud 100 m.
Zona de transición
Nivel de luminancia cdfm2, longitud 250m.
Zona central
Nivel de luminancia 15-10 cdfm2.
Zona de salida
Nivel de luminancia 15-10 cdfm2.
600-15
Vale la pena mencionar que en la ·noche la situación es completamente distinta. La mayoría de las autopistas fuera de las ciudades no son iluminadas, y el nivel de luminancia en todo el tramo del túnel se puede bajar a 5 cdfm2; sin embargo hay que instalar una zona de adaptación a la salida del túnel, y una senalización a la entrada.
La solución para este problema es el uso de "una banda cantínua de luminarios, instalando lámparas que tengan la potencia necesaria para obtener el nivel necesario. 3.5
r
Zona de salida
Ambas instalaciones serán de 100 a 200 metros (3-5 postes con luminarias para alumbrado público.
En la zona de salida normalmente se mantiene el nivel como es instalado en la zona central; hay que mencionar que en el caso de que el túnel sea de doble circulación, la zona de salida se convertirá en una zona de umbral con las mismas nece_sidades.
Recomendaciones Ver Tabla 111 y figura 9.
212
Tabla 111.
1
Recomendaciones de iluminación _para túneles
Zona· umbral
Zona. de transición
Zona central Noche
·Día
S2l,
-
a! 1O cdJin2
3 cdJm2
-
-
~ 3l0
-
2 cd/11'12
-
Holanda " (1963)
C!: 0.13
L.,
Fig. 1.0
C!: 10 cd/m2
Alemania Din 67524 1972
C!: 0.10
La
Fig.10
Inglaterra
C!: 0.10 l 0
Fig. 10
-
BCP CP 1004
Salida
-
1971 Suiza SEV 4024 1968
C!: 0.15
La 0.9
Noruega N243 1970
C!: 0.04
La
"Fig. 10
3 cd/m2
C!:
-
C!: 0.0005 ~-
Fig.10
(5 cdJm2)
.;.
L0 . 10
t
==
Luminancia del exterior
oeo
10000
sooo
5000
.
(;"
~
'S
- 2 000
2000
..J
1000
..........
1500
1000
"'"
ISO O
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lOO
50
1
"
-
1
lOO
~ ¡....,_
110
~ r--....
20
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2
1
-eo
200
o
-110
zoná de
~-
acceso Fig. 9
.,..
110
Zona de
lOO
1110
200
Zona ~e transición
~o
2110
---
.............
2 1
aso
400
.J..
Zona de transición Interior
umbral
Valores de iluminación recomendados en la zona de entrada del túnel (CIE)
213
450
1100
l(ml-
4.
FUENTES DE LUZ
4.2 La eficacia de la lámpara La única definición correcta de la eficacia de una lámpara es:
Hace más de cien anos cuando. por primera vez en la historia del hombre, se usó la lámpara eléctrica; inventada por el Sr. Thomás Alva Edison en 1879, para la iluminación de las calles en los Estados Unidos.
La cantidad de luz dada por cada watt de consumo eléctrico. '11 Lamp
En estos cien anos se ha cambiado mucho el producto mismo, la necesidad de alumbrado público y también el conoci~ miento del hombre en relación al método de cálculo para determinar correctamente la calidad de una instalación de alumbrado.
La lámpara de vapor de mercurio de 400W tiene un flujo luminoso de 23 500 lúmenes, entonces la eficacia de esta lámpara es de
· Hace falta mencionar que con la calidad perfecta, también el costo inicial del equipo ha aumentado mucho.
23 500 400
En lugar de utilizar un foco de 25 watts, que en esa época costaba un par de pesos, hoy en día se instalan equipos que valen miles de pesos, que consumen hasta1 OOOW de energía eléctrica.
La vida de la lámpara. La eficacia de la lámpara.
e)
El color de la luz emitida por la lámpara.
4.1
= 58.75 lúmenes por watt
Considerando la pérdida del balastro de unos 55 watt, la eficacia se reduce a: --=2==3:....:5::.:0:..:0'--- = 51.65 lúmenes por watt 400 + 55
Las características más importantes, que nunca se han cam- · biado, son:
b)
w
Sin embargo, para comparar correctamente una lámpara con otra, hay que tomar en cuenta las pérdidas causadas por el uso de equipo eléctrico que necesita cualquier lámpara de descarga de gas.
De un punto de luz, puesto en una farola rústica, como protección al viajero, se ha desarrollado una lámpara de descarga de gas, instalada en un sistema profesional que hoy en día ilumina las vías terrestres del mundo, dando una seguridad y comodidad a los conductores de millones de automóviles.
a)
= __!!_ = lúmenes 1watt
La diferencia en eficacia entre las lámparas incandescentes, teniendo una eficacia de sólo 15 lúmenes/watt y la lámpara de descarga de gas más eficaz, la lámpara SOX 180W con una eficacia de 183 lm/watt, es enorme. Como valor representativo para cada familia de lámparas, s~ toman los valores de la tabla IV.
La vida
Las primeras lámparas eléctricas tenían una vida máxima de 10 horas, las lámparas modernas duran unas 20 000 horas. Sin embargo hay que aclarar que existe un mal entendido respecto a lá vida de una lámpara publicada por los fabricantes. Existen dos criterios para determinar la vida de una lámpara.
4.3
Color de la luz emitida
El color de la luz, o la composición espectral de la luz es por ·varias razones importante. Primero, el color determina la apariencia de los objetos que aparecen en el campo de visión del conductor.
La vida de una lámpara como publican los fabricantes norteamericanos, corresponde al momento que la probabilidad en que se funda la lámpara es de 50%, o sea, decada 100 lámparas instaladas sólo 50 estarán funcionandó.
Segundo, la correcta aplicación de los diferentes colores puede dar una información adicional al sistema de guía óptica.
En la instalación práctica este porcentaje será más bajo por las diferentes condiciones que ocurren en una instalación: vibraciones, variación de temperatura ambiental. variaciones en el voltaje de la red eléctrica.
El color depende del gas dentro del tubo de descarga, y el material que cubre el interior del bulbo de la lámpara. La lámpara de vapor de sodio baja presión con puro sodio en el tubo de descarga y con bulbo claro, da luz monocromática, del color amarillo del gas de sodio; por esto, todos los objetos aparecen de un solo color.
A veces se maneja como vida de una lámpara, su vida económica que es el número de horas de operación (que corresponde) antesde que se deban reemplazar las lámparas. Esta vida generalmente es más corta que la vida técnica y depende del tipo de lámpara, condiciones eléctricas, el grado de contaminación del ambiente, la depreciación del flujo luminoso de la lámpara, sistema de mantenimiento, etc. Generalm.ente es recomendable reemplazar las lámparas cada 2 anos (8 000 horas).
En el caso de la lámpara flourescente se pueden obtener varios tonos de colores; cambian de la composición del fósforo que cubre el interior del tubo. Generalmente se puede conseguir siempre una lámpara que cumpla con las necesidades determinadas por la aplicación
214
Tabla IV.
Valores de 11 para distintas familias de lámparas
it
Tipo
Familia
Incandescente
Incandescente Halógena
CLS HAL
14 22
14* 22*
Vapor de mercurio
TL HPL/N
80 57
62 52
HPI/N
80
71
sox
_120 180
110 150
Mll
21
Descarga de gas
'1 Lamp.
Vapor de.mercur.io con aditivos met. Vapor de sodio
SON/T
Luz mixta
Sist.
21 **
• No requiere balastró. * • Balastro integrado en la lámpara.
Cada tres meses hay que limpiar los vidrios de los ruminarios· para que se mantenga el nivel de iluminación a su valor mínimo necesario.
específica; sin embargo, la selección siempre tendrá que tomar en cue..nta: Rendimiento de color, eficacia, vida y costo. 5.
LUMINARIOS.
Por las condiciones fotométricas especiales del sistem! de iluminación d~túrieles, no se pueden utilizar los luminarias desarrollados para alumbrado vial. El sistema óptico delluminario para túneles requiere un diseno especial que dé el nivel, y la uniformidad necesaria para la seguridad del automovilista, quien también necesita un control perfecto del grado de deslumbramiento. Las características ópticas del luminaria dependen totalmente' de la instalación del mismo. En el caso de que el luminaria se instale en dos filas a ·ambas paredes del túnel, la curva debe ser totalmente asimétrica en el plano perpendicular al eje de la lámpara, y la distribución de luz en el plano paralelo á la dirección del tráfico debe ser tal que el conductor no sienta ningún deslumbramiento. Cuando Jos luminarias se instalen sobre la linea central del techo, la curva transversal debe ser simétrica para iluminar uniformemente el carril del tráfico.
Fijac;i.6n al techo
También con esta geometría hay que limitar el deslumbramiento en el sentido longitudinal (Fig. 10). Para la facilidad de inspección y mantenimiento, hay que aplicar luminarias con un vidrio plano y un sistema de broches de cierre especial para que el.tiempo necesario para limpiar los luminarias sea mínimo.
FijaciOn a las paredes.
Se ha' calculado que por la contaminación que existe en el interior de un túnel es tal que el rendimiento del luminaria se reduce en muy poco tiempo hasta 40% de su valor inicial.
Fig. 10 · Limitación en el sentido del deslumbramiento longitudinal
215
Hay que utilizar luminarios especiales para túneles.
·El luminario debe estar completamente-cerrado y sellado para evitar el ingreso de agua durante períodos de lluvia y de limpieza.
6.
Hay que utilizar el conocimiento y experiencia de los ingenieros en iluminación.
CONCLUSIONES 7. REFERENCIAS
Por lo discutido anteriormente, se puede conduir: Cada proyecto requiere un estudio específico por las condicio~es variables. -~;-·'-~-~ · ···· ··
W.J..M. Van. Bommel y J.B. BQers, Roadlighting.
El estudio debe empezár con un análisis del medio ambiente del túnel y su posición geográfica. ·
Roland WaÍthert, Tunnellighting systems.
A. Ketvirtis, Visibility study for long vehicular tunnels. Commission lnternationale de L'eclairage CIE TC-4.6, /nter-· national recommendations for tunnel lighting.
Hay que elegir cuidadosamente el tipo delámpara t~ mando en cuenta su costo, vida, eficacia y rendimiento de colores. -
A.M. Marsden, The economics of installation design.
216
