UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DECANA DE AMÉRICA) AMÉRICA)
ACREDITADA INTERNACIONALMENTE
Facultad de Ingeniería Geológica, Minera, Metalúrgica y Geográfica
E.A.P de Ing. de MINAS
NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA (NATM) CURSO:
MECANICA DE ROCAS APLICADA A LA INGENIERIA
PROFESOR:
ING. MARTIN FLORES PALACIOS
ALUMNO:
ALVAREZ SALVADOR ALDO
Ciudad Universitaria, 26 de Junio del 2018
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RESUMEN EJECUTIVO
El Nuevo Método Austriaco, conocido bajo las siglas NATM (“New Austrian Tunneling Method”), es uno de los métodos de diseño y ejecución de túneles en roca más extendidos y de mayor éxito en todo el mundo dentro del ámbito de la ingeniería civil.
Este método, también denominado "Avance y Destroza", fue desarrollado y patentado por Rabcewickz, Müller y Pacher entre 1948 y 1964, y está basado en la clasificación geomecánica de Lauffer, que clasificó los terrenos en siete categorías, indicando el tipo de sostenimiento más apropiado para cada uno de ellos.
En esencia, el NATM se basa en cinco principios fundamentales: 1. Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos locales de tensión que se producen durante la excavación. 2. Utilizar métodos de excavación que minimicen el daño producido al macizo, con gunitados de protección nada más excavar. 3. Instrumentar las deformaciones en función del tiempo, con ayuda de clasificaciones geomecánicas y ensayos de laboratorio. 4. Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo de meteorizaciones, de compresiones, de cohesiones, etc., con la veloci dad adecuada, para evitar el comienzo de daños. 5. Colocar el revestimiento definitivo, si es necesario, también flexible, minimizando así los momentos flectores, añadiendo resistencia adicional con cerchas o bulones, pero no con secciones rígidas.
La excavación se realiza en dos fases. Primero se ejecuta la excavación superior (avance) y después se retira el terreno que quede debajo hasta la cota del túnel (destroza), excavando, en el caso de secciones grandes, en primer lugar una primera bancada más ancha para permitir el paso de maquinaria al frente (realizando inmediatamente después la prolongación del sostenimiento ejecutado en avance) y después una segunda (ejecutándose a su vez los sostenimientos correspondientes). El método se basa en usar la tensión geológica del macizo rocoso circundante para que el túnel se estabilice a sí mismo mediante el efecto arco.
La excavación es inmediatamente protegida con una delgada capa de hormigón proyectado. Esto crea un anillo de descarga natural que minimiza la deformación de la roca. Debido al control exhaustivo el método es muy flexible, incluso en condiciones geomecánicas desconocidas de consistencia de la roca durante el trabajo de tunelación. Las mediciones de las propiedades de la roca nos informan de las herramientas apropiadas. 2
El desarrollo de la técnica del hormigón proyectado o gunita (utilizada masivamente en Austria desde 1954 y empleado en España, por primera vez, en el Túnel de Miranda en 1958), permite el desarrollo del NATM al darle su arma preferida: un sistema de sostenimiento de colocación inmediata, graduable en resistencia (dosificación) y rigidez (en función del espesor a proyectar y de los refuerzos con cerchas, mallas, etc., que se utilicen).
Las líneas características (o sea su relación presión-desplazamiento) del terreno y del sostenimiento llegarían a un equilibrio tras la adecuada deformación y la oportuna relajación que se produce en el macizo rocoso.
La gunita es el elemento más utilizado en el NATM, pudiendo, hoy día, aplicarse con robots, de forma que los operadores queden alejados del frente de excavación, aumentando así su seguridad. A continuación, se pueden colocar cerchas. No es conveniente poner las cerchas antes de la protección con gunita, por el riesgo que entraña a los colocadores de cerchas. Sin embargo, en materiales muy fracturados, la velocidad de deformación puede ser muy grande e impedir que la gunita fragüe, por lo que se usan, entonces, primero las cerchas y después la gunita.
Esa gunita puede armarse con malla metálico o con fibras metálicas, siendo esta última solución la que, actualmente, tiene más aplicación, por el ahorro de tiempo que supone la colocación de la malla (y el riesgo que siempre supone operadores cerca del frente) y por las resistencias que ya se alcanzan con las gunitas armadas con fibras. La primera capa de sellado suele darse sin fibras (ya que suele tener mayor rechazo).
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INTRODUCCION
Bajo las siglas de N.A.T.M. ( “New Austrian Tunneling Method ”) se halla uno de los métodos de diseño y ejecución de túneles en roca más extendidos y de mayor éxito en todo el mundo dentro del ámbito de la ingeniería civil.
El nuevo método austriaco de ejecución de túneles debe considerarse como una filosofía de diseño y no como un método que utiliza sistemáticamente gunita y cerchas metálicas. Se basa en la integración del terreno que rodea a la excavación en el anillo estructural autoportante formado entorno a la cavidad, de forma que el terreno forma parte integrante en él. Dicho método pretende relajar el estado tensional del macizo rocoso entorno al túnel, permitiendo su deformación hasta un punto de equilibrio en que el sostenimiento controla dicha deformación, anclando éste al propio terreno. Esto se consigue mediante técnicas de auscultación y medida de convergencias, para controlar las deformaciones en todo momento y evitar que estas sean excesivas (consultar tema Interacción túnel-sostenimiento); por lo que se puede realizar el túnel con un costo mínimo y una máxima seguridad.
Se debe dejar al macizo rocoso deformarse de manera que forme su propio soporte estructural reduciendo así, los costes de excavación y sostenimiento.
Los principios generales del método son: -
Excavación cuidadosa del terreno
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Elección de la sección según características geomecánicas
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Sistema de ejecución adaptado a las condiciones del terreno
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Auscultación
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MARCO TEORICO
El nuevo método Austriaco de tunelería (NATM) es el resultado de un desarrollo continuo y prolongado cuyos comienzos se remontan a los años 20. Se origina a partir de las observaciones del comportamiento del revestimiento de los túneles y del conjunto de rocas circundantes, es decir, en base a la experiencia práctica.
Las consideraciones teóricas tuvieron lugar más adelante y su finalidad fue la formulación de las bases analíticas a fin de poder verificar y explicar las observaciones del terreno. Los métodos tradicionales de construcción comúnmente usados en un principio se originaron a partir de la experiencia obtenida en minería y se basaban en el principio que el conjunto de rocas siempre debe ser considerado como una carga pasiva que actúa sobre el sostenimiento; los sistemas de excavación y los trabajos de sostenimiento que prevalecían en ese entonces, el uso de madera, cerchas de acero, juntamente con el gran número de etapas de excavación, parecen justificar este concepto, porque estos sistemas de estabilización son propensos a producir el aflojamiento del conjunto de rocas. Esta teoría aún se utiliza en muchos casos a pesar de que es obsoleta y no permite comprender claramente los verdaderos procesos mecánicos que sufren las rocas alrededor de una cavidad.
Sin embargo, en las primeras épocas también existieron conceptos acertados, tales como la determinación de la relación entre la presión ejercida por la roca y la deformación de las sostenimientos de madera, lo que dio lugar al comienzo del NATM. La presión activa de la roca siempre ésta relacionada con las deformaciones permitidas en la cavidad. El principio fundamental del NATM puede explicarse como el concepto de transformar a las rocas que rodean el perfil de un túnel, de un elemento que ejerce carga a un elemento capaz de resistir carga (arco de sustentación). Mediante elementos de sostenimiento tales como concreto lanzado y pernos de roca, y adoptando la secuencia de excavación y los procedimiento de sostenimiento correctos, podrá lograrse la acción conjugada entre el revestimiento del túnel y la masa rocosa.
El NATM fue desarrollado en Austria entre 1957 y 1965, y se llamó así para distinguirlo del método tradicional. Sus principios fueron elaborados por Ladislaus Von Rabcewicz, Leopold Muller y Franz Pacher.
La palabra “método” en la traducción al inglés ha conducido a confusiones. El hecho es que el
NATM es una filosofía o concepción de diseño del sostenimiento y no un método de construcción o algún tipo particular de sostenimiento.
Sugiere la adopción de determinados principios en la secuencia de trabajo que concierne a la excavación y el sostenimiento, para que la masa rocosa que rodea la cavidad se convierta en el principal elemento de sostenimiento en la estructura de un túnel.
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Durante la construcción del túnel Transiraní, Rabcewicz observó síntomas de presión ejercida por las rocas, además de aquellas causadas por el aflojamiento de las mismas, tales como fuertes presiones laterales que ocasionaban fallas por corte en los revestimientos del concreto. Esta observación lo llevo a la importante conclusión de que los revestimientos en los túneles no fallan por flexión sino a causa de esfuerzos cortantes excesivos, una afirmación comprobada por los experimentos de Mohr llevados a cabo en modelos a escala.
Rabcewicz usó el principio de diseñar dos sostenimientos durante la construcción del túnel Loibl entre 1942-45 consideraba que un sostenimiento inicial delgado de concreto podía, después de cierto tiempo, establecer un estado de equilibrio que se determinaría verificando el proceso de deformación. Solamente una vez que se hubieron detenido los movimientos era posible colocar el sostenimiento final.
En su solicitud de patente, Rabcewicz declaró que bajo determinadas circunstancias, el sostenimiento inicial podría ser suficiente siendo en este caso el definitivo. De esta manera, se establecieron los principios para la NATM, que se basa en un sostenimiento semi-rígido que actúa en la primera etapa y creo un nuevo equilibrio. El sostenimiento posterior aumenta el factor de seguridad de acuerdo con el diseño, pero no será absolutamente necesario en todos los c asos.
En la práctica, el principio de sostener las excavaciones eficazmente, permitiendo al mismo tiempo las deformaciones, es posible mediante la aplicación de concreto lanzado y pernos de roca.
Se tienen que haber estudiado las curvas características del túnel para las distintas litologías a atravesar y para poder ir comprobando si el comportamiento que tiene la excavación real es el que cabía esperar. En la Figura se observa la curva característica del túnel correspondiente a una determinada litología (CC), así como la curva correspondiente al sostenimiento (también conocida como curva de confinamiento). Ambas curvas se intersectan en el punto de equilibrio entre túnel y sostenimiento, cuando se alcancen la presión y desplazamientos (peq, ueq) comunes a las dos curvas CC y CF. La distancia ud, hace referencia a la distancia al frente de la excavación del sostenimiento colocado, e indirectamente, a la deformación transcurrida antes de colocar el mencionado sostenimiento.
Curva característica tipo (CC) y curva del sostenimiento (CF)
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De lo que nos ocuparemos es de ir controlando la convergencia del túnel a medida que avanza la excavación, representando la curva de los desplazamientos en función del tiempo (convergencia) y controlando si tiende al equilibrio (asíntota). En el momento adecuado, colocaremos nuestro sostenimiento, cuyo comportamiento será conocido de antemano, y por tanto sabremos hasta dónde se deformará como máximo el túnel. Si durante las tareas de seguimiento de la convergencia observamos anomalías en las tendencias que cabía esperar (deterioro del arco autoportante), habría que actuar en co nsecuencia. Por ejemplo, si el túnel se c ierra rápidamente, es decir, si los desplazamientos se hacen muy grandes, indicando altas deformaciones, entonces debemos colocar el sostenimiento lo antes posible para evitar el colapso del túnel.
Debemos tener en cuenta, que todo este proceso vendrá determinado por las características geomecánicas del macizo, esto quiere decir, que en rocas de muy mala calidad, por ejemplo, los avances serán muy cortos y el sostenimiento habrá de colocarse lo más rápidamente posible; mientras que en rocas con índices de calidad medios, los avances serán más espaciados y se nos permitirá colocar el sostenimiento más tarde (dejaremos que la roca entorno al túnel se deforme hasta un cierto punto).
En la siguiente figura se muestran distintos tipos de sostenimiento (distintas rigideces) y colocados a distintas distancias del frente (el ud1 más cerca del frente y ud2 más lejos del mismo). El proyectista, tiene que ser lo suficientemente hábil como para efectuar la elección adecuada del sostenimiento y el momento oportuno para su colocación. Y aquí entra en juego el aspecto económico, siempre decisivo en ingeniería civil y que también caracteriza a este método. Sostenimientos más rígidos implican un mayor coste económico, pues las tensiones a resistir son mayores.
Distintos tipos de sostenimiento a distintas distancias del frente
Por este motivo, el nuevo método austriaco, aprovecha el comportamiento del macizo rocoso, haciendo que la propia roca contribuya a la estabilidad del túnel, al dejar que ésta se deforme hasta un punto adecuado, en que el sostenimiento que requerirá no habrá de soportar tensiones tan elevadas y hará que éste resulte más eco nómico.
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Además, podremos colocar los diferentes sistemas de sostenimiento a una cierta distancia del frente con lo que se mejorará la seguridad de los operarios que allí trabajen.
Actuación por separado y conjunta de distintos sostenimientos colocados a diferentes distancias del frente de excavación
Por último, comentar que los distintos tipos de sostenimiento actúan conjuntamente al ir alcanzando las deformaciones establecidas, lo que nos permite jugar con el punto de equilibrio y con la presión de confinamiento que deberá soportar el sostenimiento.
Esquema tridimensional que representa las tareas de colocación delos distintos sostenimientos
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Encofradora del revestimiento definitivo tras haber colocado bulonado, cerchas y HP.
La utilización de los tres tipos de sostenimiento flexibles más extendidos son: -
Bulones
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Cerchas
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Hormigón Proyectado (HP)
A modo de ejemplo se muestra una sección típica de túnel con los 3 sistemas.
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Existen otras tipologías de sostenimiento como los sistemas semiflexibles (pre-anillos) y técnicas complementarias (paraguas ligeros y pesados, inyecciones, congelación, etc.).
CASO PRÁCTICO
Túnel Tautern (Austria). La base de este proyecto lo constituyó un informe geológico con una sección longitudinal basada en estudios superficiales y en algunas perforaciones diamantinas en las zonas de la roca del túnel, una galería de exploración al sur y una perforación con testigo de 600m, de profundidad al centro del túnel trazado; se mencionaba en el informe una zona de sobrecarga entre la arenisca y las filitas.
La sección geológica longitudinal realmente hallada mostró que el túnel estaba ubicado en una formación de esquistos, el 95% de las zonas perforadas en la roca fueron hechas a través de varios tipos de filitas, cuyas propiedades fueron determinadas por su composición de minerales: con presencia de carbonatos presentaban buen comportamiento mecánico, mientras que los efectos negativos fueron ocasionados por componentes sericíticos, grafiticos y cloríticos. Además, la resistencia de la roca fue a veces disminuida por los esfuerzos tectónicos.
El 15% restante de la roca encontrada estaba formada por mármoles, dolomitas, yeso y anhidrita, serpentina o talco y algo de cuarcita. El eje del túnel era aproximadamente N-S y el rumbo de las formaciones rocosas NE-SO, con un buzamiento entre 25° y 30°.
Corte longitudinal del túnel
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La observación del comportamiento de la excavación y las mediciones indicaban la magnitud y el proceso de deformación únicamente podía ser explicado por el efecto de esfuerzos tectónicos residuales.
Esta suposición se entiende al observar los procesos mecánicos durante la formación de los A lpes. En el curso de la compresión Sur- Norte de la corteza terrestre, junto con la gravitación y los procesos magmáticos, se produjeron fallas y transportes longitudinales de 100 Km. (periodos: Cretáceo y terciario). La arenisca del perio do triásico, originalmente al sur de la cordillera principal de los Alpes, fue transportada junto con otras series más antiguas hacia el norte. Durante estos movimientos se produjeron sobrecargas de 5000 a 10000m. En la zona referida al túnel Tautern, ésta magnitud de sobrecarga se confirmó por el grado de metamorfismo de la roca hallada durante la excavación.
En aproximadamente la estación 1000, se encontró una serie particularmente desfavorable de seriecita-cloraste y cuarzo-filitas, el techo fue sostenido de inmediato con concreto lanzado y pernos de roca para evitar la de laminación incesante de la roca.
Cerca de 100m detrás del frente avanzo, el arco de roca y sostenimiento, que consistía en una capa de concreto lanzado de 15 cm. De espesor y pernos de roc a de 25 mm de diámetro, 1 m de largo y espaciados: 2m x 1.5 m, se derrumbó; y luego la reexcavación de esta zona, las velocidades de deformación eran de 2cm/día.
En las zonas adyacentes a estas extraordinarias deformaciones se encontraron fallas por corte en el concreto lanzado, el sostenimiento parecía estar levantando de la roca y las cerchas de acero estaban localmente deformadas y separadas del sostenimiento. En otros tramos de avance cerca del piso se formaron grietas por corte continuas y longitudinales, mostrando una superposición de aproximadamente 30 cm.
El proceso mecánico de esta deformación fue reconocido luego de un estudio minucioso, el soporte con concreto lanzado era demasiado rígido para tolerar convergencias de 20 cm. (3.5%), el desplazamiento diferencial de concreto lanzado y la superficie de la roca produjo fuerzas axiales que ocasionaron las fallas de corte.
Estas translaciones tangenciales entre concreto lanzado y la roca fueron facilitadas por la estructura milonítica de las rocas en las inmediaciones del túnel, producida por las altas presiones.
En las zonas que se produjeron las fallas, se instalaron una cantidad considerable de pernos de anclaje más largo, no solo para evitar la caída de las partes sueltas del sostenimiento, sino para también reforzar el arco de roca de sustentación. No obstante haberse alcanzado condiciones
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temporales satisfactorias, era evidente que debían encontrarse nuevas soluciones para estabilizar la roca antes que se produjeran fallas similares.
Luego de la compresión del proceso de falla se encontró una solución muy simple: aplicar concreto lanzado en tiras longitudinales de 3 m de ancho, separadas por juntas de contracción de 20 cm. Esto redujo las diferencias de las deformaciones entre roca y sostenimiento a un 1/5. Con excepción de la malla metálica, la roca no estaba sostenida en dichas juntas; las cerchas de acero se superponieron en las jutas pero no fue necesario fijarlas.
Esta solución proporcionó excelentes resultados y por consiguiente se aplicó a lo largo de los 2/3 del túnel, las juntas se contraían de acuerdo con los movimientos locales y la malla metálica fue deformada hacia fuera.
Contrariamente a lo esperado, el efecto de arco sobre concreto lanzado no fue interru8mpido totalmente por las juntas. Fue posible determinar que en la cara exterior del concreto lanzado las presiones radiales eran de aproximadamente 6 Kg. / cm2 y que las células de presión tangencial median valores ocho veces más altos.
Según las mediciones efectuadas, no hubo necesidad de cubrir las juntas de concreto lanzado, una vez estabilizados los movimientos. Esto significa que con el tipo de sostenimiento aplicado, se logró la estabilidad aumentando los esfuerzos tangenciales (confinamiento) en el arco de roca de sustentación.
Fallas por corte en el soporte
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Solución a los esfuerzos por corte
CONCLUSIONES
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Con el presente trabajo se pretendía conocer en profundidad la construcción de túneles mediante el Nuevo Método Austriaco (NTMA), analizando las tensiones que se producen en el terreno durante la excavación y, proponiendo, un tipo de sostenimiento y revestimiento válidos.
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Uno de los errores en la construcción de túneles es creer que éstos pueden diseñarse usando bien las clasificaciones geomecánicas, bien los modelos numéricos, o bien a partir de los datos de la instrumentación, cuando en realidad éste debe ser el resultado conjunto de los tres sistemas.
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El Nuevo Método Austriaco, a pesar de tener tantos problemas en suelos, en una roca con buenas cualidades se convierte en un método muy rápido y sencillo de excavación aunque siempre hay que tenerlo controlado mediante las auscultaciones pertinentes del terreno.
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RECOMENDACIONES -
Deben extremarse las operaciones de saneo cuando se presentan “lisos planos” en laterales, y sobre todo, en techo, principalmente si la potencia de las capas principales es importante, lo que puede ocultar posibles situaciones de inestabilidad que se pretenden detectar. Sería conveniente dar cierta rugosidad adicional a los planos de los lisos, procediendo durante la fase de saneo a producir unas hendiduras en ellos con el martillo hidráulico con el que se realiza el saneo, mejorando así las condiciones de adherencia entre el hormigón proyectado y en el terreno en esa zona plana.
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En la zona del techo “plano” la capa de sellado del hormigón proyectado se limitará a
unos pocos centímetros (máximo 5 cm.) lo más homogéneamente posible repartida y sólo se recargará el espesor de contacto del techo plano con los escalones laterales para facilitar un efecto arco en los bordes y al mismo tiempo que garantice que no exista deterioro por humedad o venteo en las juntas presentes en dicho liso y en los adyacentes. -
A continuación se deben colocar bulones en las zonas de planos lisos como primera operación después del sellado, o incluso antes de efectuarlo, si el saneo ha detectado la conveniencia de anticipar el cosido de las capas para evitar el inicio de despegues entre estratos o lisos, dejando para una secuencia normal la colocación de los bulones en el resto del contorno.
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Colocar una cuadrícula de malla o de unos redondos de acero en forma de cruceta, soldados a las placas de los bulones, que queden separados del paramento de la roca entre 5 y 10 cm en sus extremos, y algo curvados, de forma que al aplicar posteriormente el hormigón proyectado posterior a la capa de sellado, con el que se completa el espesor total del mismo en el sostenimiento, dicho hormigón proyectado pueda quedar solidario con los bulones existiendo con ello la posibilidad que quede suspendido de ellos, para evitar un desprendimiento. Los elementos a soldar en las placas de los bulones, podrían estar constituidos, bien por redondos de acero corrugado en cruceta de unos 10 o 12 cm de diámetro y unos 40 cm de longitud, o por un cuadrado de malla electro soldada de, al menos 6 mm de diámetro en cuadrícula del orden de 10 cm aproximadamente, y de 40 cm de lado.
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Se debe balizar la zona saneada hasta que se terminen los trabajos de sostenimiento, para evitar el acceso fortuito de trabajadores de la misma.
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BIBLIOGRAFIA 1. Juncà Ubierna, J. A. (1997). Capítulo 1, Historia de los túneles y su evolución tecnológica. “Manual de Túneles y Obras Subterráneas”. Editor: Carlos López Jim Madrid: Gráficas
Arias Montano, 1997 (1082p.) 1ª edición. 2. Martí, J.V.; González, F.; Yepes, V. (2004). “Temas de procedimientos de construcción. Métodos y equipos de excavación en túnel”. Editorial de la Universidad Politécnica de
Valencia. Ref. 2004.835. Valencia, 52 pp. 3. Estébanez, A. (2007). “Nuevo método austríaco (NATM)” 4. Gaither De la Sota Aplicaciones del NATM – Proyectos Informe Interno – Geomecánica Latina S.A. 1998 – 2004 5. Von Rabcewincz, L. “The new Austrian tunneling method” Part two, water power, December 1964, pp. 511-515.
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