DISEÑO DE LA SECCION TIPICA DE TUNELES
DISEÑO DE LA SECCION TIPICA DE TUNELES
INTRODUCCIÓN La mayoría de los túneles se construyen para salvar un obstáculo natural y permitir el acceso a vías de comunicación para tran transp spor orte te urba urbano no (met (metro ros) s),, tran transv svas ases es y conducciones; o para unir is isla lass o estrec rechos y para pasos fluviales, en cuyo caso el trazado se efectúa bajo una lámina de agua.
Criterios para el diseño de un Túnel Para el diseño de un Túnel primero se debe realizar un estudio Geológico – Geotécnico del sector donde se lo proyecta, en esto la mecánica de rocas juega un papel fundamental en la clasificación del macizo rocoso e incluso estableciendo un prediseño con los elementos necesarios para el sostenimiento del túnel en función a la altura de carga (zona de aflojamiento) después de la excavación, con estos datos ya se podría estimar el costo de la obra tunelera lo cual resulta muy útil para poder ver su viabilidad de esta alternativa. Los estudios geológicos-geotécnicos son absolutamente necesarios para poder proyectar y construir una obra subterránea.
Las investigaciones geológicas de los túneles son, en general, más costosas que en otras obras de ingeniería civil. Sin embargo, el no dedicar suficientes medios a estos estudios puede conducir a situaciones imprevistas: “Cuando el terreno no se investiga, el terreno es un riesgo”.
La inversión adecuada en los estudios geológico- geotécnicos depende de la complejidad geológica, longitud del túnel, espesor de recubrimientos, etc. y puede llegar al 3 % del presupuesto de la obra; por debajo de este porcentaje aumentan los casos de túneles con problemas y, por encima los imprevistos son mínimos
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS Al perforar un túnel se puede encontrar tres tipos de Condiciones Naturales que dan lugar a la pérdida de resistencia del macizo y, por tanto, a problemas de estabilidad : 1) Orientación desfavorable de discontinuidades. 2) Orientación desfavorable de las tensiones con
respecto al eje del túnel. 3) Flujo de agua hacia el interior de la excavación a favor de fracturas, acuíferos o rocas carstificadas.
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS
Condiciones naturales de inestabilidad en excavaciones de túneles en roca
1) Orientación desfavorables de las discontinuidades
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS
Condiciones naturales de inestabilidad en excavaciones de túneles en roca
2) Orientación desfavorables de tensiones
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS
Condiciones naturales de inestabilidad en excavaciones de túneles en roca
3) Filtraciones hacia el interior de la excavación
LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES COMPRENDE LAS SIGUIENTES FASES: Excavación y limpieza. La primera de las fases consiste en la excavación del túnel en la que se retira el material de la traza del túnel con una sección bruta igual a la sección neta del túnel. Sostenimiento. El sostenimiento del túnel consiste en la colocación de una estructura que evite el colapso de las tierras recién excavadas. Dependiendo del tipo de material, puede no ser necesario. Revestimiento . Consiste en el cubrimiento del sostenimiento de la estructura, proporcionando el acabado final a la superficie del túnel. Instalaciones. Por último, se ejecutan las instalaciones que sirven para la explotación del tráfico durante la vida útil de la estructura. En estas instalaciones se incluyen la iluminación, en caso de ser necesaria, los sistemas de ventilación, las instalaciones de gestión del tráfico, los equipos de lucha contra incendios, la señalización y los sistemas de seguridad vial.
Se entiende por sostenimiento al conjunto de Procedimientos que permiten mantener las cavidades que se forman como resultado de la explotación de los recursos Minerales y mantener seguro durante el tiempo que se desee.
El sostenimiento en minería subterránea es muy importante ya que por naturaleza del trabajo toda labor que se hace en el interior de la mina se realiza en espacios vacíos, inestabilizados producto de la rotura de la roca o mineral extraído; para lograr que se mantenga nuevamente estable y en condiciones de trabajarla la zona debe redistribuir sus fuerzas para ello es necesario apoyar inmediatamente con el refuerzo o sostenimiento adecuado, considerando el tipo de rocas, fallas de relleno, fallas abiertas etc.
Tipos de sostenimiento: Los sostenimientos en una labor pueden ser pasivos y/o activos,
Dentro de los pasivos tenemos: mallas, cimbras, cuadros de madera, shotcret (concreto lanzado) gatas hidráulicas (sostenimiento temporal), puntales de madera. Dentro de los activos: son todos aquellos que están directamente dentro del macizo rocoso como: pernos cementados, split set, cables bolting, pernos helicoidales.
REVESTIMIENTO El revestimiento se coloca con posterioridad al sostenimiento y consiste en aplicar sobre dicho sostenimiento una capa de hormigón, u otros elementos estructurales, con el fin de proporcionar resistencia a largo plazo al túnel y dar un acabado regular, mejorando su funcionalidad (condiciones aerodinámicas, impermeabilidad, luminosidad, albergar Instalaciones y propiciar la estética de la obra).
Diagramas típicos de excavaciones, de acuerdo al objetivo y uso que se le de.
a. Perfil circular.
Hidráulico
b. Perfil doble circulo.
Hidráulico
c. Perfil curvo con piso recto tipo herradura. Hidráulico/vial d. Perfil nórdico tipo baúl.
17
Minería/hidráulico
e. Perfil rectangular.
exploratorio
f. Perfil trapezoidal.
minería
g. Doble conducto. 18
Vial
h. Conductos gemelos. i. Dos niveles con piso de trabajo. 19
vial vial
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PROCESO CONSTRUCTIVO (DEMOLICIÓN Y EXCAVACIONES)
La ejecución se puede dividir en dos fases bien diferenciadas, la construcción dela contrabóveda circular y la construcción del revestimiento enbóveda. La situación de partida para la construcción de la contrabóveda en los tres túneles ha sido una solera plana de hormigón armado, así pues la primera operación necesaria es la demolición de la misma de modo que pueda comenzarse la excavación.
Como paso previo a la excavación de la contrabóveda es necesario asegurar el apoyo de los revestimientos o sostenimientos preexistentes, de modo que no se vean afectados por las operaciones de excavación mientras éstas duren. Con ese objeto se han anclado al terreno dichos elementos mediante bulones, ejecutados en los hastiales. Una vez asegurados los revestimientos, se comienzan las operaciones de excavación, siempre mediante martillo neumático o rozadora pese a la dureza del material, con el fin de no provocar mayor fracturación en el macizo.
La excavación hasta sección circular se realiza en dos fases, con el objeto de minimizar la alteración de la roca que deberá estar en contacto con la contrabóveda. En la primera de ellas se pica y retira material hasta dejar una excavación en forma de artesa. De esta forma es posible realizar una parte de los trabajos sin descubrir los materiales que formaránel perfil deexcavación definitivo, por tanto se evita su desecación y consiguiente alteración y se minimizan los cambios ensuestado tensional.
Con el mínimo retraso respecto a la primera fase se procede a las operaciones de refinado del macizo hasta la sección circular definitiva. En estas operaciones se emplean martillos neumáticos y/o rozadoras, tratando de obtener el perfil adecuado con la mínima afección.
Inmediatamente después de concluido el refino se procede al sellado del tramo excavado mediante hormigón proyectado con fibras. Esta capa tiene la función de evitar cambios de humedad en el macizo, que podrían provocar alteraciones en la roca, además de sostener la excavaciónrealizada.
TÚNELES DE MONTBLANC
TÚNELES DE MONTBLANC
Túnel de carretera
Túnel Ferroviario
1) Cuando la pendiente transversal del terreno es elevada (mayor de 45%) y el material no permite asegurar la estabilidad del canal. 2) El túnel de conducción de una PCH a filo de agua trabaja a presión atmosférica, simulando un canal abierto. 3) El túnel debe mantener la pendiente del canal y seguir la distancia más corta la cual se verá alterada por las condiciones topográficas, geológicas y geomorfológicas del terreno. 4) La forma de la sección del túnel debe ser tal que su área permita la circulación del caudal máximo y resista las presiones, las cuales determinan la forma de sección y el tipo de revestimiento del túnel. 5) Los túneles pueden tener forma circular, de herradura o de baúl. La forma circular garantiza el área óptima, pero es de difícil construcción; la forma de baúl es más sencilla de construir.
Las dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. El ancho y tipo de túnel dependerá de las necesidades del proyecto, establecidos por criterios como el caudal y la velocidad. Según la experiencia se puede recomendar algunos anchos que funcionan hidráulicamente:
Ancho
Tipo de túnel
1.8 metros
Para sección baúl
2 metros
Para sección herradura
2.2 metros
Para sección circular
El túnel estará totalmente revestido en hormigón y tendrá una velocidad máxima permitida. b) Considerando que la conducción es revestida en hormigón, pero que presentará asperezas. c) Se selecciona un gradiente para el canal. a)
d) Esta velocidad es menor que la velocidad máxima permitida, indicando que las dimensiones del túnel son las adecuadas. Sin embargo, con estas medidas su construcción es un tanto difícil, por lo cual se hace necesario que el diseñador decida si las aumenta. e) Cuando el terreno es pantanoso y los cauces de quebradas constituyen un problema agudo, el uso de una tubería semejante podrá evitar gastos de construcción inconvenientes.
f) La selección de alternativas de menor costo que cumplan los requerimientos económicos, están orientadas a reducir la longitud de la conducción por medio de túneles, sifones, rellenos u otro tipo de obras. Así que debe considerarse que los túneles se construyen cuando representan una solución más económica o más estable que un canal abierto. g) El túnel es una alternativa técnica cuando el terreno no es estable, por ello se busca con él encontrar un terreno más firme. Con esto se reduce el costo por longitud y por sección debido al aumento de pendiente.
Túnel Trasandino Kovire
Es vital para Tacna. Está ubicado en el distrito de Ticaco, provincia de Tarata, a una altitud de 4,400 metros sobre el nivel del mar.
Permite derivar una parte de las aguas del río Ancoaque hacia la laguna de Aricota (para la producción de electricidad), hacia la ciudad de Ite (para el abastecimiento de agua potable) y para la irrigación de 7 mil hectáreas de las Lomas de Sama-Ite.
Es un túnel revestido de concreto, de sección tipo baúl.
Tiene 8,433 metros de largo, 2.40 de ancho, 2.70 de altura, 5.86 m2 de sección libre revestida, y una pendiente de 2/1000. Posee una capacidad máxima de conducción de 13.2 m3/segundo. Trasvasa un caudal promedio de entre 1 a 5 m3/segundo en épocas de lluvias y de menos de 0.10 m3/segundo en épocas de estiaje. Fue construido por la empresa Graña y Montero, habiendo quedado concluido en 1994.
Los túneles se caracterizan por su trazado y sección, definidos por criterios geométricos de gálibo, pendiente, radio de curvatura y otras consideraciones de proyecto. Bajo el punto de vista de la ingeniería geológica los datos más significativos son la sección, perfil longitudinal, trazado, pendientes, situación de excavaciones adyacentes, boquillas y accesos intermedios.
EN LA MINERIA , TRANSPORTE Y FERROCARRILES. Los túneles se empezaron a diseñar y construir en las minas y más tarde para simplificar el trazado de las carreteras y de las vías del metro y del ferrocarril. Con los métodos tradicionales sólo se conseguían perforaciones por partes, mientras que los sistemas modernos excavan por completo todas las dimensiones necesarias para el túnel.
La intención del diseño de túneles viales es mejorar substancialmente las condiciones de tráfico de la red vial, a la vez que reducirá los costos operativos de los usuarios, los índices de congestión, accidentes de transito, consumo de combustibles, disminuyendo el tiempo de recorrido y demás aspectos socioeconómicos y ambientales de la cuidad.
Topografía Geología y Geotecnia Diseño de los túneles Diseño enlaces viales Impacto ambiental Instalaciones en los túneles Estudios complementarios
Topografía Geología y Geotecnia Vial Impacto Ambiental Actividades y acciones de ejecución y operación del proyecto. Estructural Estudios complementarios Iluminación Drenaje costos y Presupuesto
La siguiente figura muestra detalles de la sección transversal típica utilizada en los diseños viales de cada túnel.
Diseño de un túnel hidráulico Los túneles hidráulicos, lógicamente, son aquellos destinados a conducir agua. Esta definición, aunque parezca una obviedad, pone de relieve el hecho, conducir agua, que los confiere su singularidad. Existe una amplia variedad en cuanto a su uso: Aprovechamiento hidroeléctrico. Abastecimiento de agua. Riego. Saneamiento. Drenaje, evacuación de tormentas, etc. En lo que respecta a sus condiciones hidráulicas, pueden ser a presión o de lámina libre. La necesidad de abastecerse de agua y/o de drenar zonas para otro uso hizo que. desde la más remota antigüedad, el hombre prestase especial atención a este tipo de túnel
En la Fig. 1 pueden verse las formas mas usuales. En discontinuo se ha representado la forma circular interior. En ocasiones, es conveniente recurrir a una forma circular, o próxima a ésta, por motivos : estructurales, como Se verá más adelante. • ’ . '.
Diseño de túneles hidráulicos
So conocen ejemplos espectaculares, con túneles excavados en macizos muy diaclasados y/o fallados, donde el paso del túnel ha secado pozos y fuentes. En general, éstos se restablecen una vez se reviste el túnel.
En rocas masivas, poco diaclasadas, este problema no es importante.
• Factores importantes
El medio de excavación': sise emplean máquinas tuneladoras, serán circulares. Integridad del túnel Impermeabilidad Revestimiento Conductividad hidráulica Discontinuidades Materiales expansivos Nivel freático
Una sección típica de herradura para un túnel de dos carriles
Las
secciones
herradura
poseen
más
área
hidráulica en la parte inferior que la circular y por ende, mayor capacidad de conducción. Pueden ser ferroviarias, de automóviles, La sección de túnel en mina, túneles de desvío de aguas, etc.
•
En terrenos terrenos de tipo medio, la la sección suele ser ser en forma de herradura. herradura. La base de los hasti hastiales ales suel suelee adopt adoptar ar la forma de “pata de elef elefante” ante” para
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horizont horiz ontal al del terre terreno. no.
Fig. Sección en herradura
•
Es necesario necesario que tenga una pendiente pendiente lon longitu gitudin dinal al por trat tratarse arse de un túnel para conducir agua, debe tener un revestimiento de hormigón que corresponde a la sección hidráulica con un determinado ancho basal, también debe debe tener una una altura de muro de hormigón.
•
El s ist ema ac tua l ment e co n sist e e n ca pt ar
.
y cond conducir ucir las de agua aguass del río haci hacia a una
.
tubería.
•
La ausencia ausencia de solera o contrabóved contrabóveda, a, permite enormes enormes deformaciones, deformaciones, con cier ci erre re de ha hast stía íale less en un unos os ca caso soss y le leva vant ntam amie ient nto o de dell fo fond ndo o en ot otro ross (expansión y descompresión descompresión en otros casos), a lo largo de los años años .
•
DISEÑO DE TUNEL FORMA CUADRADA
TOPOGRAFIA EN EL DISEÑO DE TUNELES
•
CONCLUSIONES:
Estudios geológicos Estudios geotécnicos Estudios hidráulicos * El sostenimiento de las labores es un trabajo adicional de alto costo que reducela velocidad de avance y/o producción pero que a la vez es un proceso esencial para proteger de accidentes al personal y al equipo. * El soporte activo es de menor magnitud que el pasivo debido a que se utiliza la capacidad de auto sostenimiento de la roca mientras que en el soporte pasivo se tiene todo el peso gravitacional dela roca. * El perno de anclaje reúne las condiciones de soporteactivo. * En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema activo mientras que el soporte es uno pasivo. * La durabilidad del Shotcrete frente a condiciones climáticas de congelamiento, descongelamiento en pruebas de laboratorio y en las labores mineras generalmente han sido buenas; sin embargo, se pueden presentar problemas aún con el mejor Shotcrete cuando se aplica a una roca extremadamente a excepcionalmente mala, para esto se debe considerar los tiempos de auto-soporte, spany la aplicacióndel shotcrete. * La utilización del Shotcrete reforzado con fibras metálicas a permitido reemplazar a los elementos de sostenimiento tradicionales como a los cuadros de madera, cimbras metálicas, arcos noruegos y otros.
SERVICIOS QUE SE REQUIEREN EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL Diseño de los servicios que se requieren en la construcción de un túnel: tuberías para aíre comprimido, tuberías para agua, ductos de ventilación, cables de energía eléctrica e instalaciones para comunicación, etc.
VENTILACION ORIGEN DE LOS GASES DE MINA USO DE EXPLOSIVOS •
Toda voladura origina, en mayor o en menor grado, gases tóxicos producidosDiseño por lasdediversas reacciones químicas que ocurren durante una los servicios que se requieren en la explosión. El uso del ANFO, por ejemplo, genera construcción de un túnel: tuberías para aíre diversos óxidos de nitrógeno los mismos tuberías que aúnpara en bajas pueden resultar comprimido, agua,concentraciones ductos de de necesidad mortal.cables de energía eléctrica e ventilación, instalaciones para comunicación, etc.
MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA •
Pueden liberar gran cantidad de contaminantes, como el NOx, CO, etc., y esto es mayormente por la falta de mantenimiento o por la altitud en la cual esta la maquina.
GASES DE ESTRATOS •
Son gases que existen dentro de las estructuras rocosas del yacimiento y que, al entrar en contacto conuna labor minera, pueden producir grandes concentraciones de gases tóxicos.
RESPIRACION HUMANA •
Cada persona exhala anhídrido carbónico (CO2) y si realiza una actividad física intensa la cantidad de anhídrido carbónico producida será mayor.
DISTRIBUCION ESQUEMATICA DE LOS GASES POR SU DENSIDAD (AMBIENTE SIN VENTILA CION)
