INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN
PROCESO CONSTRUCTIVO DETÚNELES Y LUMBRERAS.
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MEXICO, D. F.
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2003
AGRADECIMIENTOS:
A MIS PADRES, GRACIASA SUAMOR, EJEMPLO Y CONFIANZA SE LOGRO ESTEOBJETIVO. CONTODOMIAMOR. A MI ESPOSA CLAUDIA, POR TU RESPETO, AMOR Y APOYO INCONDICIONALALOLARGODEESTOSAÑOS. TEAMO. A MISHIJOS FEDEYTATO CONTODO MIAMOR. AMISSUEGROS,CONCARIÑO. AMISABUELOS. ING.CELSO BARRERA: GRACIAS PORGUIARLA REALIZACIÓN DEESTETRABAJO. ING.FRANCISCOJ. MEJIA: GRACIAS PORTODO. ING.VICTORCHALE: GRACIAS. ING.Ma.EUGENIAMORENO: PORSUAPOYO DURANTETODA LACARRERA. GRACIAS. LIC.GRACIELAOLMOS: PORSUCONSTANTEAPOYOYAMISTAD. GRACIAS.
GRACIASATODOS LOSPROFESORES QUEME BRINDARON SUEXPERIENCIAALO LARGO DELACARRERA. ING.ARTUROMATEOS. GRACIAS POR DARME LA OPORTUNIDAD DE TRABAJAR EN ESTA GRAN EMPRESA, "COTRISA". ING.ENRIQUELAVIN. GRACIASPORTODASSUSATENCIONES. GRACIASAL ING.PACOBAY,PORTODATUAYUDA. A MIS AMIGOS Y COMPAÑEROS, SR. BAY, ING. RAUL YAHUACA, ING. SERGIO GUTIERREZ, ING. FRITZ BIELER, ING. MANUEL LOPEZ, ING. SERVANDO NOVAS,ING.CARLOSDIAZ. A MIS AMIGOS, ALBERTO EBRARD, MOISÉS OSORIO, SALVADOR GUTIERREZ, FERNANDO OSORIO, EDUARDO FERNANDEZ Y RICARDO GUTIERREZ,PORTODOSESTOSAÑOSDEAMISTAD.
TEMARIO; OBJETIVO. CAPÍTULO I.-INTRODUCCIÓN. 1.1 1.2. 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
ANTECEDENTES HISTÓRICOS. CLASIFICACIÓN DELOSTÚNELES. SECUENCIA CONSTRUCTIVA DEUNTÚNEL. EXCAVACIÓN. SOPORTE TEMPORAL. REVESTIMIENTO DEFINITIVO. INYECCIÓN.
CAPÍTULOII.-ESTUDIOS PRELIMINARES. 2.1 2.2 2.3 2.4 4.1 2.4.2 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
REGISTROGEOLÓGICO. INSTRUMENTACIÓN. DESCRIPCIÓN DELOSINSTRUMENTOS. SONDEOS. MÉTODOSGEOFÍSICOS. MÉTODOSÍSMICO. CONSIDERACIONES GENERALES PARAELDISEÑO DETÚNELES. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS. CONDICIONES DELAROCA. DIMENSIONES YFORMA. MÉTODODECONSTRUCCIÓN YSISTEMADESOPORTE.
CAPÍTULO III.-INFORMESDURANTE LA CONSTRUCCIÓN. 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3
REGISTRO GEOLÓGICO. REGISTRO TOPOGRÁFICO. REGISTROTÉCNICODELPROCEDIMIENTO. DEEXCAVACIÓN DEREVESTIMIENTO DEFINITIVO. INYECCIÓN.
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CAPÍTULOIV.- ACCESOS PARALACONSTRUCCIÓN DETÚNELES. 4.1 CONSTRUCCIÓN DELUMBRERAS. 4.2 CLASIFICACIÓN. 4.3 DEFINICIÓN DELUMBRERA. 4.4 ROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓN. 4.4.1 EXCAVACIÓNENROCA. 4.4.1.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ARRIBA HACIAABAJO. 4.4.1.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVOABAJOHACIAARRIBA. 4.5 LUMBRERASEXCAVADAS ENSUELOS. 4.5.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVOPORFLOTACIÓN. 4.5.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO MEDIANTE MUROS COLADOS IN SITU. 4.6 RESULTADOS DE INSTRUMENTACIÓN. CAPITULOV.- EXCAVACIÓN DETÚNELESENROCA. 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.5 5.5.1 5.5.2
PROCEDIMIENTO CONUSODEEXPLOSIVOS. ACTIVIDADES DELCICLODEEXCAVACIÓN. TOPOGRAFÍA. BARRENACION. CARGA. SECUENCIA DEENCENDIDODELOSDETONADORES. VENTILACIÓN. REZAGA. ADEME. PROCEDIMIENTO CONTUNELEADORAS DEPLUMA. CORTADORTIPOFRESA. CORTADOR TIPO DESGARRADOR. PROCEDIMIENTO CONTOPOSMECÁNICOS. ELEMENTOSAUXILIARES. T.B.M (UTILIZADA ENELTÚNELNo5DEL ACUAFERICO). ESPECIFICACIONES TÉCNICAS (T.B.M.). PROCEDIMIENTO DEEXCAVACIÓN YSOPORTEPRIMARIO.
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CAPÍTULOVI.-EXCAVACIÓN DETÚNELESENSUELOS. 6.1 PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL. 6.2 ATAQUE ASECCIÓN COMPLETA. 6.3 ATAQUE AMEDIA SECCIÓN. 6.4 PROCEDIMIENTO CONTUNELADORAS DEPLUMA. 6.5 PROCEDIMIENTO CONESCUDO. 6.5.1 ESCUDOCONFRENTEABIERTO. 6.5.1.1CICLODEOPERACIÓN. 6.6 ABATIMIENTO DELNIVELFREÁTICO. 6.7 ESCUDODEFRENTECERRADO. 6.7.1 CICLODEEXCAVACIÓN. 6.7.1.1EMPUJE DELESCUDO. 6.7.1.2OPERACIÓNDECOMPUERTAS. 6.7.1.3REZAGA. 6.7.1.4COLOCACIÓN DEDOVELAS. 6.7.1.5APRETAR TORNILLOS ENTREDOVELA. 6.8 ESCUDO CONPRESIÓNALFRENTE. 6.9 AIRECOMPRIMIDOAPLICADOALASPAREDESDEUNTÚNEL. 6.10 PROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓN. CAPITULO VII.-ADEMEOSOPORTETEMPORAL. 7.0 ANTECEDENTES. 7.1 FORMAS DEPRESIÓNENLOSTÚNELES. 7.1.1.PRESIÓN DEROCADEBIDAAAFLOJAMIENTO. 7.1.2 PRESIÓN REALDEMONTAÑA. 7.1.3 PRESIÓN DEHINCHAZÓN. 7.1.4 DETERMINACIÓN DELAPRESIÓNDELAROCA. 7.1.5 PRESIÓN LATERAL. 7.1.6 PRESIÓNDEFONDO. 7.2 PRINCIPALES TIPOSDEADEME. 7.2.1 MARCOSMETÁLICOS. 7.2.2 CONCRETOLANZADO. 7.2.3 CONCRETOLANZADOCOMBINADO CONMARCOSMETÁLICOS. 7.2.4 ANCLAS. 7.2.4.1ANCLASDETENSION. 7.2.4.2ANCLAS DEFRICCIÓN. 7.2.4.3 COMBINACIÓN DEANCLASCONCONCRETOLANZADO.
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CAPITULO VIII .- REVESTIMIENTO DEFINITIVO DE CONCRETO TÚNELES. 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8
ANTECEDENTES. CIMBRA ESTACIONARIA. CIMBRA DESLIZANTE. FABRICACIÓN DECONCRETO (ELBA). TRANSPORTE DELCONCRETOHASTAELFRENTEDECOLADO. TRANSPORTEDECONCRETOHASTA LACIMBRA. COLOCACIÓN DECONCRETO. MANIOBRA DEDESMOLDE YCORRIMIENTO DELACIMBRA. CURADODECONCRETOYCORRECCIÓN DEACABADOS.
CAPITULO IX.- INYECCIONES. 9.0 9.1 9.2 9.3
ANTECEDENTES. INYECCIONES DE IMPERMEABILIZACION. INYECCIONES DE CONSOLIDACIÓN. INYECCIONES DECONTACTO.
CAPITULO X.- ADMINISTRACIÓN ENLACONSTRUCCIÓN DETÚNELES 10.0 ANTECEDENTES. 10.1 PLANEACION. 10.2 ORGANIZACIÓN. 10.3 INTEGRACIÓN ODIRECCIÓN. 10.4 COSTOSENLACONSTRUCCIÓN DETÚNELES. 10.4.1 COSTODIRECTO. 10.4.2 COSTOTOTAL 10.4.2.1 COSTO DEMANODEOBRA. 10.4.2.2COSTODEMATERIALES. 10.4.2.3COSTODELAMAQUINARIA. 10.4.2.4COSTOINDIRECTO.
CAPITULO XI 11.1CONCLUSIONES.
OBJETIVO Este trabajo tiene la finalidad de concentrar la información relativa a los procesos constructivos mas utilizados en la construcción detúneles y lumbreras, así como mostrar los diferentes procesos constructivos en el desarrollo de las obras, sus diferencias yventajas,tomandoencuenta lasprincipales obrasdeesta naturaleza como sonel acuaférico perimetral de laciudadde México,eldrenaje profundo, el sistema colectivo metro, el drenaje semiprofundo en el estado de México, entre otras. Para la elaboración de este trabajo se investigo en un considerable número de libros,documentos yexperiencias deprofesionistas dedicados aesta rama,locual permitiódetectarla faltadeinformacióndealgunasdelasobrasrealizadas. El criterio será fundamental en la selección del proceso mas adecuado, lo cual determinara el resultado exitoso oelfracaso en la construcción de untúnel o una lumbrera. Estatesis espero seade utilidadpara losalumnosy profesionistas interesados en el tema, así como un modelo practico en la excavación de túneles y lumbreras. Considerando los casos reales que se presentan como consecuencia del subsuelo, ya que el proceso constructivo en este tipo de obras lo rige principalmente lascondicionesgeológicas existenteseneltrazode laobra. Por lo anterior, es de vital importancia, antes de realizar cualquier actividad, realizar unestudio de mecánica de suelos,con una interpretación completa, clara y concisa, la que permitirá tomar precauciones durante el desarrollo de una obra subterránea. Latomadedecisionesgeneralmente seefectúanenelinteriorde laobra,oseaen el frente de excavación, lo que no da oportunidad a consultas, reuniones etc., ya queesto provocaría una perdida detiempo considerable y como consecuencia un retraso importanteenelprogramadeejecución. Esta tesis presenta las excavaciones realizadas en los diferentes tipos de suelos, elproceso constructivo,asícomolafinalidad delaobraysuscaracterísticas.
CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1.-ANTECEDENTES HISTÓRICOS: Elsignificado de la palabratúnel,de acuerdo con la real academia de la lengua española, tiene su origen en el idioma inglés y lo define como: Paso subterráneo abierto artificialmente para establecer una comunicación através de un monte, por debajo de un ríouotroobstáculo. Como excepción a la definición anterior se comentará que la naturaleza, por medio de la acción provocada, por la erosión marina, o bien por la acción hidráulica tanto superficial como subterránea o a veces por la eólica, ha construido también túneles naturales a travésdeltiempo,deloscuales podemos mencionar comoejemploelqueestaenfrente de cabo San Lucas en Baja California Sur, ríos subterráneos como los formadores del río Amacuzac en lazona deCacahuamilpa, lostúneles en lascalizas cercanas a laciudadde Monterrey debidos a la erosión eólica en los estratos sedimentarios y los túneles en las islas Baleares españolasquepermiten laentrada durante lamarea baja hasta las lagunas interiores. Sin embargo en el desarrollo de esta tesis se tratara sobre lostúneles construidos por el hombre. Desde tiempos muy remotos el hombre ha construido túneles para diferentes fines que vandesde la obtenciónde minerales,transporte de agua potable, ladisposición de aguas residualesylacomunicaciónterrestreyfluvial. En tiempos modernos los túneles se han utilizado para salvar obstáculos en líneas de ferrocarril y en carreteras así como para servicios diversos en las plantas de generación eléctrica. Además, en menor medida se están utilizando para fines tan diversos como almacenamiento depetróleo,comoestacionamiento devehículos,etc.
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Los antecedentes más antiguos que se conocen sobre la construcción de túneles se remontan hasta los tiempos prehistóricos, cuando el hombre primitivo, buscando protección y abrigo, excavó cuevas o agrando y acondicionó algunas existentes; es el casodelascuevasdeAltamira,enEspaña. El túnel más antiguo, es quizá el construido en la antigua Babilonia, aproximadamente 4,000 años,estetúnelpasa pordebajo del río Eufrates,comunicaba alpalacio realconel templo de Júpiter. Su longitud se estimo en un kilómetro y su sección fue rectangular de 3.6 x4.5m. Para la realización de esta obra, el río Eufrates fue desviado. Las paredes del túnel se construyeron de ladrillo, pegado con mortero y el techo fue formado a base de una bóveda. La habilidad de los romanos para la construcción de túneles llega años más tarde a Méxicoatravés de losconquistadores españolesquienes sededicaron alaexplotaciónde minas mediante laconstruccióndegaleríasytúneles. Enloque respecta atúneles para otrasfunciones, debemos referirnos a losesfuerzos que sehicierondurante lacolonia paradrenar lacuencacerradadelValledeMéxico. El proyecto consistió en construir un tajo de 500 metros de longitud y la perforación de 6,600 metrosdetúnelcon 3.5 metrosdeanchoy4.2 metrosde alto. Laobra se realizó en un período de 11 meses utilizando como método constructivo la excavación con pico y palayseconstruyeron numerosaslumbreras. En el siglo XIX, el arranque de la era tecnológica y la aparición del ferrocarril con sus limitaciones para vencer fuertes pendientes, incrementó la construcción de túneles. El primer túnel para dar paso a un ferrocarril de tracción animal fue construido en Francia para lalíneadeAndressieux en1826. Para la construcción de túneles debajo del Río Hudson, el coronel Haskins empleó por primeravezelairecomprimido.
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Posteriormente se utilizóelcalor, procedimiento enquesecalentaba elfrente de roca con la ayuda de fogatas y posteriormente se mojaba, provocando un cambio brusco en la temperatura yporconsiguiente unresquebrajamiento delmaterial. Las primeras herramientas que se utilizaron fueron el pico y la pala para materiales relativamente blandos,ylabarretayelmarrocuando ladurezadelterrenoera mayor. Este procedimiento sevio mejorado conelempleo dela pólvora negra quese introducía y seencendíaenlosorificios realizados conlabarreta. Al iniciodelaeraindustrialseempezóaemplear laperforadora devapor paraejecutar los barrenos,siendoesta laprimera maquinaqueseempleo enlaexcavacióndetúneles. El descubrimiento y posterior empleo de la dinamita como elemento explosivo, vino a mejorar los procedimientos de excavación, llegando en la actualidad a emplearse diferentes tipos de dinamita, cuya ignición se hace con retardo de tiempos, con lo cual se trata deoptimizar tanto elconsumo deexplosivos,comoelavance por ciclos yel volumen delarezagaobtenida. El mismo proceso de barrenación ha venido mejorándose utilizando en la actualidad aire comprimido para accionar las perforadoras, empleando aceros especiales, e insertos de tungsteno,paraobtener unamayorvelocidaddepenetración. Lasperforadoras mismas en losúltimostiemposvancambiando decaracterísticas. Enlaactualidadseemplean losescudos para materialesarcillososogranulares. Igualmente los controles hidráulicos para diferentes movimientos han sido un factor importante eneldesarrollode"topos",para laconstruccióndetúneles enformaciones de roca. Un avance muy grande lo representó el empleo de equipo sobre vía para retirar el producto de la excavación, en el que varias vagonetas son arrastradas por una locomotora,quepuedeserdecombustión internaoeléctrica. Paracargar lasvagonetas seutilizan rezagadoras,generalmente neumáticas que recogen el material del piso del túnel y lo colocan en vagonetas, sea por medio de bandas transportadoras oavolteo.
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La problemática quepresenta eldrenaje de la ciudadde México,que alestar situada en una cuenca cerrada y no tener salidas naturales de las aguas que concurren a ella, ha requerido para su solución de la construcción del sistema de "Drenaje Profundo", el cual consiste en la excavación de túneles a una profundidad promedio en el área urbana de 30.00metros. Dadas las diferentes calidades del material por dondeatraviesan los túneles, los métodos o sistemas de excavación, también han variado. En términos generales, los sistemas de excavación se podrían agrupar de acuerdo altipoo método constructivo empleado, de la siguiente manera: 1.- Excavación a sección completa con ademe primario de concreto lanzado, y/o marcos metálicos. 2.- Excavación a media sección con ademe primario de concreto lanzado, y/o marcos metálicos. 3.- Excavación a media sección con túneles piloto y ademes primarios de madera y marcosmetálicos. 4.- Excavación conescudodefrenteabierto. 5.- Excavación conescudodefrentepresurizado. Estos métodos constructivos se utilizaron en materiales cuyo valor de soporte, al realizar laexcavación,eratalque permitía unlapsoentre laexcavacióny lacolocación del ademe primario,sinpresentar problemasdecaídos. La excavación con escudos se realiza en zonas donde los suelos por su poca cohesión necesitansersoportadosinmediatamentealaexcavación.
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El procedimiento para la utilización del escudo de frente abierto, se fue modificando de acuerdo a la cohesión del terreno, de tal manera, para queel frente deexcavación fuera estabilizado,serequiriódelempleodeairecomprimidodentrodeltúnel. Este procedimiento consiste en colocar una mampara otapón, de tal forma que el frente de excavación quede aislado de la presión atmosférica, procediendo ainyectar airea una presiónqueestabilice elfrente. Elcreciente aumento de la poblaciónenla Ciudadde México,yeldeterioro de los mantos acuíferos por la sobre explotación obligada para suministrar de agua potable necesaria a la mayoría de los habitantes y como consecuencia, el hundimiento diferencial de los suelos de origen lacustre y zona de transición donde se tienen la mayoría de los asentamientos de esta Capital, hicieron que las pasadas administraciones utilizaran recursos para proyectar y construir una obra con el fin de suministrar del vital líquido a través de un acueducto perimetral constituido en parte por túneles y el complemento por tubería, este cauce artificial se conecta a las redes actuales por medio de diversas derivaciones con túneles y tubería; la aportación del agua a este acueducto es por bombeo delaguacaptadadelacuencadel Balsasdondees necesaria una infraestructura constituida por presas, canales, túneles, tuberías, plantas de rebombeo y plantas de tratamiento entre otras, a lo que se le denomina "Sistema Cutzamala". El mencionado Acueducto Perimetral en su ramal norte esta siendo construido por la Comisión Nacional del Agua ( CNA ), y el ramal sur por el Gobierno del Distrito Federal a través de la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica (D.G.C.O.H.), la que hasta el año de 1994 se han concluido y se tienen en operación dos etapas, construidas exclusivamente con método convencional y que en total-suman 22,107.00 metros de túneles, 6 sifones ( estructuras con tubería metálica para la conexión entre túneles interrumpidos por barrancas y cañadas ), y 2 lumbreras; Actualmente se construye la tercera etapadelAcueducto Perimetral coneldesarrollode untúnel principal denominado Túnel5,ytresderivacionesasignadascomo:
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Derivación 3, Derivación 3A y Derivación 4. Estas tres derivaciones, más 329.70 m del túnel 5, se excavaron con método convencional, y 9,131.45 m del mismo túnel 5 con máquinatunelera (T.B.M.) de3.60 mdediámetro. 1.2.-CLASIFICACIÓN DELOSTÚNELES : Dependiendo desufinalidad,lostúneles puedendividirse delasiguientemanera: túneles paratránsito: • Ferrocarriles. • Carreteras. • Navegación. • Metro. • Peatonales. Túneles paraconducción: • Abastecimiento deagua. • Drenaje. • Serviciospúblicos (Comunicaciones, Energía,etc.) • Transporte demercancíasymaterialesenplantasindustriales.
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1.3SECUENCIACONSTRUCTIVADEUNTÚNEL: Lasactividades principalesqueintegranlaconstruccióndeuntúnelson: 1. Excavación. 2. Colocacióndelsoportetemporal. 3. Revestimiento deconcreto. 4. Rellenodeoquedades,entreconcretoyrelleno(inyección decontacto). 1.4 EXCAVACIÓN: La excavación se realiza en longitudes cortas colocando en cada tramo excavado y en forma inmediata él soporte temporal (ademe) elegido. Las actividades de excavación y ademe pueden realizarse enforma continua cuando elequipo lo permite comoenelcaso delaexcavación detúnelesenrocapormediode" Topos"mecánicos,olaexcavaciónde túneles en suelos por medio de escudos, utilizando para ambos casos generalmente dovelasprefabricadas deconcretocomoelementosdesoportetemporal(Figura 1.1 ). Si la excavación es efectuada por medio de voladuras con explosivos ( roca ), por maquinastuneleras (roca osuelos), opormartillos rompedores (roca osuelo ), elademe se instala en el tramo recién excavado repitiéndose en forma secuencial las dos operaciones deexcavaciónyademe(Figura 1.2 ).
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1.5 SOPORTE TEMPORAL: El soporte temporal o ademe queda instalado de acuerdo alequipo utilizado, es decir, en forma continuaoenformaintermitente. 1.6 REVESTIMIENTO DEFINITIVO : Encuanto al revestimiento definitivo de concreto, actividad cuyafunción es la de soportar enformapermanente lascargasqueactúanalrededordeltúnel,puedeserde2formas: a) De manera simultanea con la excavación y ademe, a una distancia tal que las actividades noseobstaculicenentresí(Figura 1.3 ). b) Después de la excavación y ademe de toda la longitud del túnel, se efectúa el revestimiento comoúnicaactividad (Figura 1.4 ). 1.7 RELLENO DEOQUEDADES (INYECCIÓN ): La actividad siguiente es la inyección de contacto, que consiste en rellenar por medio de mezclas colocadas a presión a través de barrenos estratégicamente situado, los huecos que pudiesen haber quedado entre el concreto de revestimiento y el ademe o terreno. ( Figura 1.5).
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CAPITULO It ESTUDIO PRELIMINARES 2.1. REGISTRO GEOLÓGICO : La exploración previa a la construcción debe de ir encaminada a obtener información de aquellos aspectos geológicos que habrán de efectuar la operación de la construcción del túnel. El primer paso es establecer un marco geológico general del área, aprovechando toda la informacióndisponible: Mapas, aerofotografía e información sobre la experiencia previa de tuneleo en la zona. Además,sellevaráacabo unreconocimiento geológicogeneral. Así, pueden quedar establecidos los rango probables de tipos de rocas, de estructuras geológicas, de aguas subterráneas, de grado de fracturación e ¡ntemperizacion, de condiciones probables aniveldeltúnel,asícomo unahistoriageológicatentativa. Especial atención deberá ponerse,desde los primeros estudios a identificar y evaluar los riesgos potenciales, los rasgos geológicos críticos, que en un momento dado, pueden causar retrasos o paros de la obra, originando problemas de seguridad o estabilidad, o que podrían requerir medidas especiales para continuar las operaciones de la construcción. Se limitara laszonasdonde lainformación geológica es inadecuada odondese carecede ella. Posteriormente se podráelaborar un programa más detallado de exploración,enfocado a delinear la geología faltante y adeterminar, con la precisión que permita el conocimiento, los rasgos geológicos críticos,y los riesgos que seanticipan realmente van a encontrarse a nivel del túnel. También habrá que verificar las condiciones promedio que el túnel encontrara durantesuconstrucción.
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El resultado final de un programa de exploración previa a la construcción no es solo para obtener un resumende lascondiciones de la rocaenelsitio,sinotambién para interpretar estascondicionesenterminodesusignificadoeneldiseñoylapropiaconstrucción. Este resultado es de fundamental utilidad, tanto para el cliente, el proyectista, así como parael constructor. Los datos de la exploración previa a la construcción se deben presentar en forma que describan con claridad las condiciones delterreno que se prevén alo largo del túnel,que detallen lassuposiciones quesehanhechoenrelaciónconlaconstrucción,yque resalten el efecto que las condiciones diferentes de la roca puedan efectuar determinados procedimientos deexcavaciónydesoporte. 2.2 INSTRUMENTACIÓN : Las mediciones de losdesplazamientos del suelo o roca en la vecindad de la excavación deuntúnel,nosproporcionandatosmuyvaliososquepermiten: 1 Modificarelprocedimiento constructivo encasonecesario. 2 Verificarelsoportetemporal. 3 Determinar lascausasymagnituddelosmovimientos. 4 Definir elefectode losmovimientosenestructuras adyacentes. Las observaciones en excavaciones de túneles deben iniciarse con un reconocimiento visual, ampliándolas con la instrumentación que sediseñe para definir las condiciones del túnelduranteydespuésdesuconstrucción. La importancia de la instrumentación es relevante, cuando sus resultados se interpretan enforma rápidaparaelconocimientodelconstructoryprincipalmentealserutilizadospara realizar ajustes enlosdiseñosymétodos constructivos. Losdispositivos de medición de losmovimientos delsubsuelo, son las herramientas de la instrumentaciónysuinstalacióndebeserdurableyexacta.
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En el caso de excavación de túneles poco profundos y primordialmente en suelos, es convenienteefectuar unanivelaciónsuperficialcuyoprocedimientoeselsiguiente: • Nivelar respecto a una cota preestablecida antes de la construcción del túnel y que servirá como base para medidas posteriores durante y después de haber pasado el frentedeexcavación.
• Tomar las lecturas de nivel a cada 10.00 metros a partir del eje del túnel y hasta una distancia entre50.00y 100.00metros.(Figura 6a). • Las mediciones se realizan diariamente a menos que se observen desplazamientos bruscoseimportantesquejustifiquentomar lecturasaintervalos máscortos. Los instrumentos comúnmente empleados para medir los desplazamientos son los "extensométros"e "inclinométros" instalados y leídos desde el interior deltúnel, los cuales puedenquedar colocados antesdelaexcavación. Durante la excavación y dentro del túnel se fijan estaciones para medición de convergencias quesonregistradasaltomar lecturas conlongimetros de precisión.(Figura 6b). 2.3 DESCRIPCIÓNOELOSINSTRUMENTOS: a ) Extensométros : Estos secolocan sobreeltecho deltúnel por mediode 3perforaciones, una vertical y 2a 45° con varias anclas para conocer deformaciones a diferentes profundidades, de ahí el nombredeextensométrosdeposiciones múltiples. El instrumento opera midiendo lavariación de la distancia entre los puntos de referencia, los cuales están conectados entre sí por un alambre acerado tensionado con un sistema desoporte.
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La deformación total se mide utilizando un potenciómetro lineal, cuya precisión es del 0.1 porciento. b ) Inclinómetros: Son instrumentos de tipo péndulo instalados en barrenos ademados con tubería de aluminio. El péndulo queda aislado en un recipiente hermético lleno de aceite delgado lo cual le permite no ser afectado por los cambios de temperatura durante las mediciones, además deevitarquelasdeformaciones delpéndulo ocurranenformabrusca. El instrumento se desliza a lo largo de un tubo de aluminio y cuenta con 4 ranuras diametralmente opuestas yespaciadas enángulo recto,en lasque normalmente se miden los cambios de inclinación en varios puntos a lo largo del tubo. Dichos cambios de inclinación permiten calcular losdesplazamientos perpendiculares altubo. c )Mediciones deconvergencia ydivergencia: Estasserealizan pormediodelongimetros deprecisión. El aparato consta de una cinta de acero "INVAR" graduado a intervalos de 5 mm y un dispositivo en el que se fija la cinta en una de sus marcas de 5 mm. Contiene un dinamómetro para medirtensiónyunmicrómetrodecarátulagraduada en0.001". La instrumentación en el interior del túnel se realiza midiendo los movimientos de convergencia-divergencia, empleando un extensómetro con cinta "invar"; el cual consiste en un dispositivo mecánico dealta precisión equipado conunacinta de acero inoxidable, que se acopla en un extremo a una ancla fija en la pared del revestimiento primario del túnel o directamente a la roca, y por el extremo opuesto al propio extensómetro el cual también se acopla a otra ancla fija. Durante la medición, la cinta invar se hace tensar invariablemente con una tracción constante; el aparato proporciona los movimientos relativos entre las anclas, con una precisión nominal de 0.05 mm. y con una precisión efectivade0.13 mm.,paradistanciasmenoresde 10m.
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Para medir losdesplazamientos en el interior deltúnel,se coloca unarreglo que consiste en monitorear6 líneasdemediciónconseispuntosdeanclajeenlaszonasexcavadas en sección herradura con método convencional, y cinco puntos donde se excavó con la máquinatunelera (TBM) enunasección circular. Las secciones de instrumentación se instalan a cada 18 m, aunque en algunos casos puede variar debido a las condiciones geológicas encontradas y de acuerdo al ademe colocado. Los puntos de anclaje consisten en la colocación de armellas de ojo abierto de 3/8" X4", soldadas al revestimiento primario o ancladas directamente a la roca; en el caso del anclaje,éstas secolocan retacando un material epóxico o cemento defraguado rápido en un barreno previamente realizado enel revestimiento de concreto lanzado o directamente sobre el macizo rocoso. Posterior, se empotra la armella aproximadamente unos 8 cm. adentro del barreno relleno dejando solo afuera la parte circular del ojo de la armella, endureciéndose elcementante enalrededor de 10minutos,procediendo atensar el ancla conelaparatodemedición,conloquesecorrobora unanclajefirme. 2.4 SONDEOS : Los sondeos por logeneral sejustifican durante lasetapas defactibilidad yde diseño, sin embargo, en zonas donde existe una geología compleja, puede ser indicado efectuarlos aundurante lasetapas preliminaresdeconocimiento. Los sondeos son medios directos y muy prácticos para tener acceso a la geología subterránea yporlotanto,paraevaluarsuscondiciones. Como los sondeos son trabajos relativamente costosos y en ocasiones tardado, si son muy profundos,esfundamentaltratardeobtenerdeelloselmáximo aprovechamiento. Debe de empezarse porespecificar sondeos quefijende común acuerdo el geólogo que realiceelestudioconelingenieroencargado delproyectoodiseño deltúnel.
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Las muestras o corazones de roca tienen verdadero sentido obtenerlos cuando contribuyen a la interpretación de las condiciones geológicas, conjuntamente con otras fuentes de información como son: mapas geológicos, fotografías aéreas, pruebas geofísicas,depresiónyagua. Seobtienen mejores y más integras muestras con brocas de diámetros grandes, que con brocas chicas. El diámetro adecuado es el que proporciona 3" de perforación y 2 1/8" de longituddelamuestra. Ademásde lasdescripciones geológicas comunes,debenanotarseentreotrosa el índice de calidad de las rocas ( RQD ); el porcentaje de recuperación ; la inclinación de los estratos, losnivelesdeagua,etc. Son de gran interés todos los datos que el perforista registre sobre el desarrollo de la perforación, como agua, gas, derrumbes en la perforación, zonas en donde se ha usado ademe o cementación para poder seguir perforando, y zonas en las que la perforación tiendeacerrarse. 2.4.1 MÉTODOSGEOFÍSICOS : Estos métodos de exploración, se desarrollan principalmente con el propósito de determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos de los suelos. Losmétodossehanaplicadosobretodoencuestionesdegeologíayminería,y enmucha menor escala a mecánica de suelos para realizar investigaciones preliminares de lugares para localizar presasdetierraoparadeterminar perfilesderoca.Losmétodos son rápidos y permiten tratar grandes áreas, pero no proporcionan suficiente información para fundar criterios definitivos del proyecto, en lo que a mecánica de suelos se refiere. En el caso paraestudiosdecimentaciones nosepuedeconsiderar que los métodosgeofísicos sean adecuados, ya que no dan una información de detalle comparable con la que puede adquirirsedeunprogramadeexploraciónconvencional.
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2.4.2 MÉTODOSÍSMICO : Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias detiposísmico atravésdediferentes materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad de propagación varia entre 150 y 2,500 m/seg. en suelos, correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y los menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las suaves. Enrocasana losvaloresfluctúanentre2,008.00m/seg. Esencialmente elmétodoconsisteenprovocar unaexplosión en unpuntodeterminado del áreadeexplorar usandounapequeñacargadeexplosivo. Enlazona aexplorar sesitúanregistradores deondas (geófonos ), separados entresíde 15 a 30 metros. La función de los geófonos es captar la vibración, que se transmite amplificada aunoscilógrafo centralque marcavarias líneas,unaparacadageófono. Suponiendo unamasade suelohomogénea sobre roca,unasondas llegan a los geófonos viajando a través del suelo a una velocidad V1;otras ondas llegan después de cruzar dicho estrato de suelo. Hay un ángulo crítico de incidencia respecto a la frontera con la roca que hace que las ondas ni se reflejen ni se refracten hacia adentro de la roca, sino que las hace viajar paralelamente a dicha frontera, dentro de la roca, con una velocidad V2, hasta ser recogido por los geófonos, después de sufrir nuevas vibraciones, para transmitirlas aloscilógrafo. 2.5 CONSIDERACIONES GENERALES PARA ELDISEÑO DETÚNELES : El diseño de cavidades subterráneas como son los túneles, hasta hace poco era una cuestión solo de experiencia. En las dos últimas décadas, sin embargo han aparecido métodos de investigación de campo y técnicas de medición sistematizada, así como nuevos métodos de cálculo, que proporcionan elemento de diseño y conducen a estructuras subterráneas mássegurasyeconómicas.
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La causa principal por la que se desarrollan desplazamientos, en el terreno alrededor de una cavidad y por loque segeneran fenómenos de presión,es la perturbación del campo deesfuerzosenelsuelooenlarocavirgendebidoalacreacióndeunacavidad. Cada etapa en el proceso de excavación provoca una redistribución de esfuerzos y deformaciones en el terreno, transformando un estado de esfuerzos y deformaciones primario,enunestadosecundario. Elsoportetemporaloeldefinitivo,tienenporobjeto lograr unestado deequilibrio, primero duranteelperíododeconstrucciónydespuésdurante lavida útilde laestructura. En muchos casos se requiere establecer un nuevo estado de equilibrio en condiciones rigurosas de limitación de desplazamientos alrededor de la cavidad como por ejemplo en la construcción de túneles urbanos,en los cuales los hundimientos de los edificios o vías superficiales sedebenreducir avalores muybajos. 2.6 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEEXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS : Elsistema de soporte de untúnely la roca circundante forman una unidad que constituye laverdaderaestructuraentúneles. En la práctica, el comportamiento de esta estructura a menudo se asocia a la naturaleza de la presión de la roca, por ejemplo al esfuerzo efectivo de contacto entre elterreno y el revestimiento,lamagnitud,ladistribuciónylavariaciónconeltiempodelapresiónderoca son índices importantes de los problemas de construcción de túneles. Sin embargo, las deformaciones de laseccióndeltúnely losdesplazamientos de la masade roca así como sus variaciones en función del tiempo, son también útiles y en muchos casos prácticamente constituyen losúnicos índicesdelcomportamiento de laestructura. Para proteger una excavación contra desprendimientos, controlar la presión de la roca, limitar lasdeformaciones en laforma máseconómicamente posible,resultan amenudolos problemas más importantes durante la etapa de construcción de túneles. Para visualizar estos problemas, debe tenerse en mente que el comportamiento de las excavaciones subterráneas dependeesencialmentedelacombinacióndelossiguientesfactores:
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• condicionesdelaroca. • estadoinicialdeesfuerzos. • dimensionesyforma. • Procedimiento constructivoysistemadesoporte. 2.7. CONDICIONES DELAROCA : Elgradodedificultadde losproblemasquesepuedenpresentar durante laexcavaciónde túneles,seponedemanifiestosiseconsideraquelostúneles puedentener que atravesar desde suelos sin cohesión, hasta rocas completamente sanas o cualquier condición intermedia entre estos extremos. En trabajo de túneles los materiales no se pueden escoger,esmáséstossevanpresentandodeformaimprevista. Laspropiedades mecánicasdelos suelosyrocassedeterminan haciendo levantamientos geológicoseinvestigaciones geomécanicas.
SEAPRECIA ELSONDEOEXPLORATORIO,EFECTUADODESDELASUPERFICIE.
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Siempre que sea posible, esta información se debe tener anticipadamente a la construcción. Generalmente haciendo sondeos o galerías, es posible tener acceso al material en el sitio donde se planea efectuar la excavación subterránea. A menudo se puede reunir la información importante haciendo inspecciones en la superficie, así como utilizando la experiencia obtenida en construcciones anteriores bajo condiciones geotecnicas similares. Las propiedades de la roca determinadas a la escala de especímenes aunada al conocimiento de la estructura del macizo rocoso, permiten conocer ciertas propiedades a escaladeconstrucción. La estructura de la roca esta definida por su estratificación y sus juntas. Éstas últimas, constituyen superficies de separación o de deslizamientos. Por lo tanto, su frecuencia y orientación en elespacio generalmente sondegran importancia. Las pruebas del material en el laboratorio comprenden investigaciones de mecánica de suelos, pruebas de compresión axial,triaxial y pruebas de cortante directo a lo largo de planos débiles. Para mejorar los métodos de investigación en algunos casos, se pueden efectuar pruebas de carga en barrenos oexcavar secciones de prueba entúneles, ya sea a escala reducida o aescaladeconstrucción. El flujo de agua hacia la excavación, aun en cantidades relativamente pequeñas, puede afectar sustancialmente el avance de la misma. El agua puede reducir la resistencia del material disminuyendo su cohesión, o haciendo que aparezca una presión de poro que reduce los esfuerzos normales efectivos.Al trabajar en suelos saturados se deben tomar precauciones especiales, amenudo muy costosas, para evitar lasfiltraciones y estabilizar el terreno ; por ejemplo : inyectando lechada, abatiendo por bombeo el nivel de agua, empleando airecomprimido. Ciertas rocas y suelos pueden expanderse, esto es, aumentar su volumen considerablemente, debido a laabsorción del agua,pudiendo llegar a provocar un notable levantamiento delpisode untúnel. El revestimiento en su parte inferior, al ofrecer resistencia a este efecto, puede quedar sometido apresionesdeexpansiónaltas.
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Muchas de las dificultades imprevistas que aparecen durante la excavación de túneles pueden atribuirse a un conocimiento inadecuado de las propiedades del material. Las condiciones reales de los materiales geológicos, de hecho, se conocen hasta que los trabajos se llevan a cabo. Esto es cierto especialmente en túneles profundos, en los cuales lasexploraciones,yaseaporrazonestécnicasoeconómicas, nopueden realizarse o solo se ejecutan hasta un cierto límite. También, basta pensar en las posibles variaciones del material con respecto a su composición petrográfica y en su estructura, para que resulte evidente la importancia de determinar los intervalos en que sea posible considerar lasvariaciones enelcomportamiento del macizo rocoso. Eneste caso, nosolo son importantes las consideraciones estáticas, sino también las constructivas. Mientras mayor sea el grado de mecanización del procedimiento constructivo, mayor será la importancia de losgrados extremos en lascaracterísticas de los materiales, cuando estos se presenten. Por ejemplo cuando se usa el método de escudo en suelos, si las cuchillas de corte encuentran boleos se originará un retraso considerable, que conduce a un incremento enelcosto.Pasando aotroejemplo, la aplicación económica de una máquina excavadora de frente completo no solo seve afectada por rocas de calidad pobre (rocas con breve tiempo de autosoporte o capacidad de apoyo limitada para el avance ), sino tambiénenciertascircunstanciasporrocasduras. Mientras más inciertas sean las predicciones geotécnicas, o mientras más variables sean lascondiciones delaroca,másadaptables deberánser losmétodos constructivos.
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« " f i n 2.8 DIMENSIONES Y FORMA:
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Para establecer las condiciones de estabilidad en muchos casos es decisiva la relación entreelclaro de laexcavaciónyelespaciamiento promediodelasjuntas. Cuandoelclaro D o la relación D/d ( d = altura del túnel, del nivel de suelo a la clave ) aumentan, la influencia de las juntas se acentúa y aumenta la probabilidad de que se presente una combinación desfavorable que pueda provocar un caído. Por este motivo, en la construcción de túneles en áreas urbanas la excavación puede requerir consideraciones especiales auncuando lostramos nohayan requerido ningúntipodesoporte. Enelcasoparticulardesuelossincohesión,lapresiónvertical sobreelrevestimientoenla clave aumenta cuando se incrementa el ancho del túnel ytambién, la relación del ancho del túnel a la abertura seconvierte en unfactor importante. Siesta relación es mayor que "1" no se puede desarrollar unefectode arco apreciable, niaun en roca con gran numero dejuntas. Cuando se requiere construir túneles de dimensiones considerables, esto solo es posible,desde elpunto devista de seguridad yeconomía, dando unaforma especiala la excavación. Un ejemplo es el de una galería con forma de cilindro con un casquete esférico en su parte superior. Desde el punto de vista estático, esta forma es muy favorableyaqueensentido horizontalsetieneelefecto deunanillo cerrado yeneltecho setieneeldeunabóvedacondoblecurvatura. 2.9 MÉTODO DECONSTRUCCIÓNYSISTEMA DESOPORTE : El método empleado para formar la excavación en sentido longitudinal y en sección transversal,puedetener unainfluencia significativa eneldesarrollode lapresión de rocay en losdesplazamientos delarocacircundante.
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Enelcasode untúnel laseccióntransversalse puedeexcavar como seccióncompleta,o dividiéndola en diferentes partes y excavándola en diversas etapas. Las dificultades que se presentan se pueden resolver más fácilmente cuando se trabaja con secciones menores.Así cuando las condiciones del material lo requiera, la seccióntransversal debe excavarse en dos o más etapas y, el avance longitudinal puede llevarse también por etapas. En muchos casos la primera etapa de excavación se efectúa con bastante anticipación a los trabajos requeridos para completar la sección, permitiendo un medio práctico para explorar lascondiciones delosmateriales (roca,osuelo). Con respecto a los métodos de excavación convencionales, se menciona que deben cumplir con los requisitos elementales de voladuras cuidadosamente controladas, que provoquen la menor perturbación posible de la roca circundante. No se debe propiciar el aflojamiento innecesario de la roca al efectuar las voladuras, ya que esto provocaría una pérdidaderesistenciaconsiderable. En algunos casos es necesario construir revestimientos robustos, solo porque las voladurasfueron inadecuadas. La ventaja indiscutible de los métodos mecánicos de excavación que no requieren voladuras, es que ellos afectan en menor medida la calidad original de la roca en la proximidad de laexcavación.
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CAPITULOIII INFORMESDURANTELACONSTRUCCIÓN 3.1 REGISTROGEOLÓGICO : Durante la construcción se podrá hacer una comparación de las condiciones geológicas del estudio preliminar, con las condiciones reales que se observan en el túnel. Es un repasoante la realidad,de los principales aspectos anotados enel informegeológico para evaluar suvalidez. Deesta manera,sepodrántomar nuevasdecisiones en relación conla selección del soporte en elfrente con respecto a la modificación del soporte mismo,y de algunasde lasoperaciones deconstrucción. Sedebede observar la geología deltramo detúnel ydelfrente de excavación, cada ciclo constructivo. Los aspectos relacionados con la construcción que deberá registrarse en detalle, son los siguientes: • Dimensiones delaseccióndeltúnel. • Tiposdematerialexcavadosyseñaladosenuncroquis delasección. • Grietasydesprendimientos. • Condicionesdeagua. Conviene, además de llenar la hoja de registro con los datos anteriores, ir dibujando un perfilgeológicocondatosobservadosencadaavance.(Figura 3.1).
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3.2 REGISTRO TOPOGRÁFICO : Este registro se llenara con datos de la brigada de topografía, que levantará después de cada ciclo de excavación y consiste principalmente en dibujar el contorno real de excavaciónyademelogradoconeltrasladodepuntostomadosencampo. Una vez dibujado, se procede a introducir losdatos a la computadora la cual calculara el área realde excavación comparándola conel áreade proyecto. En caso de encontrar un área mayorseanotara ladiferencia. Este dato nos permite tener el volumen final de concreto de revestimiento definitivo que habráquecolocarconociendo deestamaneraelcostorealdedichovolumen. El contorno de la sección obtenida con los datos de campo sirven de guía para corregir deficiencias en la excavación, ya sea en sobreexcavacion o en protuberancias dejadas dentrodelaseccióndeproyecto. En el caso de sobreexcavaciones estas serán rellenas con el concreto definitivo. En cambio las protuberancias deberán ser removidas antes de continuar con el avance, aprovechando instalaciones yequipo. En cada hoja de registro topográfico se asentara el cadenamiento de la sección en cuestión. Si hubiere algunacavidad naturaloformada por undesprendimiento y sedecide efectuar el relleno de la oquedad después del paso del revestimiento definitivo, los datos topográficos nosseñalaranelsitioyelvolumenainyectar. Comoen la mayor partede lostúneles setiene unapendientede proyecto que convendrá señalar en el registro topográfico la cota del punto en que se levanto la sección. (Figura 3.2).
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3.3 REGISTROTÉCNICO DELPROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO : Los datos registrados irán de acuerdo a los procedimientos de construcción adoptados, siendotrestiposderegistros principales. 3.3.1 DEEXCAVACIÓN: A)USODEEXPLOSIVOS: Sedeben anotar en cada ciclo la cantidad total de explosivos utilizados en lavoladura, la carga específica, número de barrenos y profundidad ( diagrama de barrenación), avance por ciclo, rendimiento de las perforadoras, así como de la rezaga del producto de la excavación. B)TUNELADORA DEPLUMA: Se anotara el tipo, número, distribución y dimensiones de los cortadores, avances y tiemposdelcicloasícomoelrendimientodelamáquina. C )TOPO MECÁNICO: Los datos registrados deben mencionar el empuje y tensión del cabezal de la máquina, tipo, número, distribución y dimensiones de los cortadores, velocidad de avance de la máquina,yrendimientodeexcavaciónyrezaga.
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D)ESCUDO. En este caso se anota la velocidad de avance del escudo, la longitud de los gatos de empuje y número de las operaciones y los tiempos de cada una de las actividades que componenelciclo,anotandofinalmentetosrendimientos deexcavación,rezagayademe. Si el sistema de excavación es con escudo de frente presurizado, además de los datos anteriores, se asentará la presión de trabajo, y los tiempos de estancia del personal ( jornada). E )MARTILLOS NEUMÁTICOSYCARGADOR: Se anotara el número de martillos y sus características así como el avance por ciclo y rendimientosdeexcavaciónyrezaga. F)MARCOS METÁLICOS: Anotar el numero de piezas que lo forman, peso, perfil, espaciamiento, volumen de maderade"retaque"entremarcoyterreno,ytiemposdeinstalación. G)CONCRETO LANZADO: Paraestepuntodesoportetemporal,seregistraráelrendimientode lalanzadora,espesor delconcreto,porcentajederebote,dosificación (agregados,agua,yaditivo acelerante). H)DOVELAS DECONCRETO: Anotar el número de piezas que forman cada anillo, tiempo de colocación y cadenamientos.
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I ) ANCLAS DETENSIÓNYANCLAS DEFRICCIÓN: Sedeben registrarelpeso,diámetro,longitud,ynúmero. 3.3.2 DEREVESTIMIENTO DEFINITIVO : A )CIMBRA ESTACIONARIA : Se anotarán las características de la cimbra ( longitud, forma; peso ), el sistema de suministro delconcretoydecolocación,consusrendimientos ytiempodelciclo. B)CIMBRATELESCÓPICA : Registrar él número del módulo ysus características, la velocidad de movimiento de cada módulo, sistema de suministro y colocación del concreto, velocidad del colado y rendimientos. 3.3.3 INYECCIONES: •
Deimpermeabilización.
• Deconsolidación. • Derelleno. • Decontacto.
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Encadaunodeloscasosanterioresquedaranasentadoslossiguientesdatos:
• Mezclade inyección • Patróndebarrenacion. • Diámetrodelosbarrenos. • Presióndeselladodebarrenos. • Volumendeinyectadoporbarreno. • Tiempodeinyección.
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CAPITULOIV ACCESOSPARALACONSTRUCCIÓN DETÚNELES: 4.1 CONSTRUCCIÓN DELUMBRERAS : Laconstrucción decualquiertipodetúnelrequieredeobraspreliminaresquedeacuerdoa lascondicionestopográficasdellugarsepuedendividir enexcavaciones acielo abierto (tajos )yenlumbreras. Enunamismaobra puedenexistir lasdoscondiciones,yaqueelcumplimiento deun programa puedeasíexigirlo. Esdecir, uncasoseríaeldeconstruir eltúnelutilizando dos frentes,unoencadaextremohabiendo hechotajosparallegaralportal;peroside acuerdo alosrendimientos esperados, nosecumpleconelprogramade construcción podrá ser necesarioabrirfrentes intermedios haciendo usodeunaovariaslumbreras. (Fig 4.1) Convienealtener elcasodeabrirelfrentedeltúnelpormediodeunportal,efectuarla excavación delacceso hastadejaruntechoquenoocasione problemasdederrumbes al inicio,aunque sepuedeauxiliardetratamientos deconsolidación abasede inyecciones demezclas concemento, pormediodeanclajes,oconstruyendo murosdecontencióna basedeconcretoomampostería. Laeleccióndecualquiera delosprocedimientos anteriores,asícomode lalongituddel tajo,dependerádeunanálisis previodetipoeconómicoendondelosfactores geológicos ydetiempodeberáncombinarselomejorposible. Laconstrucción detúneles haciendo usodeportales implicamenosequipo,personaly riesgo,porloqueelcostofinaldeltúnelencuestiónserá menor.
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El equipo a utilizar enunaexcavación paraportaldependerá deltipodeterreno,volumen a mover y tiempo programado. Estos tajos pueden ser construidos en roca, suelo, o una combinación de ambos. Para el caso de excavación en roca,se puede mencionar el uso de "track-drills". Para la perforación,el usode explosivos, y equipo de carga del producto delavoladura,cargadores sobreorugas,palasycamiones pararoca. El inicio del túnel en el portal, exige también una consideración especial en cuanto al soporte pudiendo ser éste a base de marcos metálicos con retaque de madera, ancla, concreto lanzadoounacombinacióndeambos. En el caso de portales'de roca será necesario, un diagrama especial de barrenación con cargasdeexplosivos bienestudiadas. En rocassi elataquedeltúnelesta proyectado poralgún medio mecánico (topo ), deberá vigilarse sucomportamiento alseratacadaporlamáquina. Ensuelos la precaución al iniciar laexcavación del túnel,debe ser máxima ya sea quese utilice escudo, máquina tunelera o martillos neumáticos, cuidando de ir soportando adecuadamente elfrenteexcavadoconformeseavanza. 4.2 CLASIFICACIÓN DELUMBRERAS OTÚNELES : Generalmente sedice que un túnel es inclinado cuando su pendiente es mayor de 1.5%. Tomando encuenta lapendientedeuntúnelselepuedeclasificar en: -Túnelinclinado :
1.5% <55°.
- Lumbreras :
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r i i r 4.3 DEFINICIÓN DELUMBRERA:
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La lumbrera, por definición,es unaexcavación vertical o inclinada,de sección rectangular o circular, u otra según el proyecto, que se puede excavar de arriba hacia abajo o viceversa, con procedimientos mecánicos convencionales, paradar accesoa untúnelque se excavará a partir de la lumbrera y que le servirá para la introducción del equipo y materiales para hacer la excavación del túnel y para la extracción del producto de la misma. 4.4 PROCEDIMIENTOS DECONSTRUCCIÓN : El procedimiento general esta fijado por el proyecto, es decir, si la lumbrera va a servir para un desarrollo minero o dar acceso a la excavación de un túnel largo que no tiene portales de acceso. Por otra parte si ya se tiene acceso a la base de la lumbrera en proyecto, entonces la excavación reviste otras características, que implica la excavación de una lumbrera pilotode dimensiones pequeñas, hasta prácticamente salir a la superficie y posteriormente elbanqueodel restode laseccióndelproyecto,vaciandoel producto de la excavación por la lumbrera piloto al fondo de la misma, y cargando camiones para sacarla alexterior. Conobjetodecomentarprocedimientos deconstrucciónempleados para laexcavación de lumbreras, se handividido en dos grandes grupos: Excavaciones en roca y excavaciones enterrenossuaves.
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4.4.1. EXCAVACIONES ENROCA (MÉTODOCONVENCIONAL) : 4.4.1.1. PROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓN DEARRIBA HACIAABAJO: PRIMERA ETAPA : Construcción del brocal y excavación hasta unos 25 a 30 metros. En ésta fase, una vez excavado y colado elconcreto en el brocalde la lumbrera, se procede ala barrenación a base de las perforadoras de piso. Unavezterminada la barrenación, se hace la carga de explosivos en los barrenos y seguidamente, se realiza la conexión eléctrica en series de paralelo,dependiendo del númerodebarrenos. Una vez que se ha retirado el equipo y el personal, se hace la voladura desde la superficie. Laventilación enestaetapaesnatural;inmediatamente después seacercara la maquina, que en este caso es una grúa con cucharón de almeja o bien con botes cilindricos, para laextraccióndelproductodelavoladura. La maquina ( grúa ) servirá en esta fase para todos los movimientos del equipo de barrenación, instalaciones, etc. En algunos casos también se usará para bajar o subir al personal, de preferencia desdeel inicio de la excavación deberán instalarse escaleras de caracol o de tramos inclinados y únicamente él ultimo tramo ( no mayor de 6 metros ) se haráconescalera marina. SEGUNDA ETAPA : INSTALACIONES NECESARIAS: a ) Una torre de estructura metálica o de madera, en donde quedará instalada la polea para el cable de malacate y del que penderá el bote de rezaga adecuado. El bote del malacate ya nobaja libremente, sino congrúasde cable,sujetas en latorreacierta altura sobre el piso que se excava, para que no se dañen las ménsulas de soporte durante las voladuras. (Figura4.2).
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De estas ménsulas al piso, el bote baja libremente ( 10 metros ). Por otra parte, deberá contarse con unaestructurao marcodeparaevitar la rotacióndelbotecuando estebajeo suba. En la superficie el vaciado se hace através de un canalón abatible a una tolva con compuertas para cargar directamente a camiones. Es recomendable que cuando el bote vacíe,elbrocaldelalumbrerasecierreconunatapademadera. b ) Unatolva de recepción dematerial producto delaexcavación,equipada con una criba de rieles para separar el material grueso almacenado que descarga directamente de la tolva por medio de una compuerta operada neumáticamente. El material fino almacenado en la tolva se descarga también con una compuerta operada neumáticamente. La descarga enamboscasossehacedirectamente acamionesdevolteo.(figura4.3 ). c) Instalaciones comunes enlaprimeraysegundaetapa: 1 Planta de aire comprimido, incluyendo compresores, recipientes y tuberías de conducción, debidamenteseccionadas. 5 Almacenamiento o abastecimiento de agua para la barrenación, tuberías de conducción. 6 Líneas eléctricas de alumbrado, debidamente identificadas, así como los accesorios, para líneas de alumbrado adecuado en el tramo excavado, así como en la zona de trabajo. 7 Líneas eléctricas de corriente trifásica, para el equipo de bombeo y ventilación en general paramotoresdecorrientealterna. 8 Líneadetuberíadeventilaciónacopladaparaevitarfugasenlamisma. 9 Escalerasdeemergencia decaracoloinclinada,únicamentedeberá haber untramode 6.00 metros,deescalera marinaparallegaralazonadetrabajo.
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4.4.1.2 PROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓNDEABAJOHACIAARRIBA : PRIMERA ETAPA : Cuando la excavación hacia arriba ( contrapozos ) es lafase inicial del procedimiento, es decir, seexcava una lumbreracuyasecciónquedadentrodelaseccióndefinitiva. SEGUNDA ETAPA: Alllegar estecontrapozoalasuperficieseiniciaelbanqueodearriba haciaabajo,tantoel producto de laexcavación encontrapozo comoel banqueo,se recogen en la parte inferior de la lumbrera en el piso del túnel, de donde se cargará a camiones que transportarán esteproductoalexterior. En los dos tipos de excavación hacia arriba existen dos procedimientos generales que son: a ) Convencional clásico. b ) Mecanizado.
Elequipoque normalmenteseutilizaenestetipodeexcavaciones eselsiguiente: Convencional: • Perforadoras.
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Mecanizado : • Perforadoras conbrocasespecialesparabarrenos. • Perforadoras conbrocadegrandiámetro. En este sistema, con una perforadora se perforara un barreno piloto desde la superficie, una vez comunicada esta perforación en la parte inferior, se montará la broca sobre una rueda giratoria. En estas condiciones se recortara la barra o eje de giro desde la superficie. En este caso el barreno piloto sirve para dar paso a la barra de giro exclusivamente. Sise hace laperforacióndeestebarrenopilotodemayortamaño,entonces la perforadora principal avanzará autosoportandose en las paredes de la excavación terminada y la rezaga caeráenelfondo de laexcavación,atravesdelalumbrerapiloto. 4.5 LUMBRERAS EXCAVADAS ENSUELOS: 4.5.1 PROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓN PORFLOTACIÓN: Consiste en la excavación de un brocal perimetral, en el cual se realizan perforaciones ademadas con bentonita; una vez completado el anillo perimetral con las perforaciones llenas de bentonita,seprocede aexcavar el núcleode la lumbrera mediante unagrúa con cucharón de almeja que va extrayendo la arcilla; al mismo tiempo, la excavación se va llenando con lodos bentoniticos para evitar unafalla de fondo.A medida que la lumbrera seprofundiza,seaumenta ladensidaddelodosdebentonita paralograr unequilibrio entre las presiones de las paredes de la lumbrera y la presión del lodo. Las paredes de la lumbrera son previamenteexcavadas con unamaquina de rotación para limitar el pozode la misma. Unavez excavada la lumbrera,se procede acolar en la superficie una parte de los muros laterales y la losa de piso de la lumbrera, que son ligeramente menor en diámetroque laexcavación;elfondodelalumbreraasí colado,sevabajando,ysevan
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colando segmentos de muros a medida que esta bajando en la excavación, flotando dentrodeloslodosbentoniticos. Llega un momento en que laflotaciónde la lumbrera estalque impide que esta baje;en ese momento se empieza a llenar la lumbrera en el interior, con agua, para darle mayor peso y provocar que baje; ( figura 4.4 ) Sé continua bajando la estructura de concreto hasta asentarla en el fondo; en ese momento se termina la construcción, llenando el espacioentreconcretoysueloconinyeccionesdecemento.(figura4.5) 4.5.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO MEDIANTEMUROSCOLADOS INSITU: Primero se colocan los brocales de la lumbrera en la superficie, los cuales coinciden con los murosdeademedelapropialumbrera;apartirdeestos brocales comoguía,se hacen cuatro perforaciones para limitar los tableros de los muros; una vez efectuadas las perforaciones externas, se procede a excavar un cuadrante de los muros de la lumbrera mediante unagrúaequipada conalmeja;esta perforación se realiza hasta 2 omás metros masdebajo de laprofundidad deexcavación,para permitir queelazolve sedeposite enel fondo y el concreto llene el espacio excavado para los muros hasta el fondo de la lumbrera. Aunque los muros no son perfectamente circulares, se forma un prisma con basespoligonales de 16lados iguales;almismotiempoquesevaexcavando cada unode estos lados,seva llenando conlodosbentoniticos paraestabilizar la perforación yevitar el cierre de la misma por falla de las paredes de arcilla; Una vez llegada a la profundidad deseada, se hace una limpieza general del muro, se introduce la parrilla que forma el armadoorefuerzodeconcretoyserealizaelcolado. En losextremos de cada cuadrante, previamente alcolado,se introducen unos tubos que limitan al cuadrante, los cuales se van extrayendo a medida que el concreto endurece, para que en esta forma quede una media caña al extremo del muro; se procede de idéntica forma en los módulos restantes hasta completar la lumbrera; en las juntas de colado se dejan unos tubos de inyección para garantizar un sello perfecto entre los cuadrantesdelalumbrera.
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A continuación se excava el corazón de la lumbrera entre los muros de ademe; una vez llegando al piso de la lumbrera se cuela el fondo de ésta, y si es necesario se da un recubrimiento adicional de concreto para garantizar su verticalidad y estabilidad. (figura 4.6). 4.6 RESULTADOS DELAINSTRUMENTACIÓN ENLUMBRERAS FLOTADAS : El éxito de la aplicación de este método se ha comprobado no solo en la cantidad de lumbreras construidas, sino a través de los resultados de la instrumentación en las mismas.Comoejemplosedescriben lasmediciones obtenidas en las lumbreras utilizadas como cárcamo de bombeo,de rejillas,ydecontrol,pertenecientes alaplanta debombeo, localizada en la zona donde el subsuelo se clasifica como de transición baja, por estar cercade la llamadazonadelago. Enelperfilestratigráficotípicodeestazona,sedistingue unestrato superficialderellenos, limos, arenas y arcillas en los 10.00 metros iniciales, y un estrato de arcillas blandas y limos arcillosos en los 15metros restantes.A partirde25.00 metros deprofundidad ycon unespesor mayora7.5 metros,seencuentra laprimeracapadura. Lainstrumentación consistió en inclinómetros, piezómetros de respuesta rápidayabiertos, y bancos de nivel superficial; con las cuales se obtuvieron mediciones durante el período deconstrucción de laslumbreras,quefuedeunañoaproximadamente. Los inclinómetros instrumentados para cuantificar losdesplazamientos horizontales queel suelo vecino experimenta al efectuar la excavación de la lumbrera, registraron movimientos máximos de 6 y 4 centímetros, a 18 metros de profundidad y 9 metros respectivamente. Estos desplazamientos representan deformaciones unitarias del suelo del orden de 0.3 a 0.4 %, valores mucho menores al 1%, rango teórico a partir del cual las arcillas del Valle deMéxicoalcanzanellimitedefalla. Las ultimas mediciones indicaron que existe una tendencia a la recuperación parcial del suelo,unavez inyectada lazanja anular.
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Por otra parte los piezómetros instalados a 14.5y20.0 metros deprofundidad, registraron leves incrementos de 0.2 a 0.4 kg/cm2 en la presión de poro durante las etapas de excavación,estabilizándose nuevamentealiniciode lainyeccióndelazanja anular. Elnivelfreático permanecióestableentodas lasetapas. Las lecturas de los bancos de nivel demuestran que los desplazamientos verticales en superficie fueron insignificantes, ya que se presentaron asentamientos y expansiones menores a 1.0 centímetro. De esta manera, con las mediciones obtenidas en la instrumentación, se ha comprobado la eficiencia de este procedimiento constructivo de lumbreras ensuelosblandos. (figura 4.7).
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CAPÍTULOV EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN ROCA
5.1 PROCEDIMIENTO CONUSODEEXPLOSIVOS. La excavación por medio de explosivos, en túneles implica la repetición de una serie de actividades que forman un ciclo de trabajo, cada una de estas actividades tienen un tiempo de duración. Ajgunos están basados en la experiencia, y otros depende de la sección transversal del túnel, número de barrenos, profundidad de barrenacion, abundamiento de la rocadespués delavoladura,cantidad deexplosivos, rendimientos de maquinaria,etc. 5.2 ACTIVIDADES DELCICLO DEEXCAVACIÓN. 1.-Topografía. 2.-Barrenacion. 3.-CargayVoladura. 4.-Ventilación. 5.-Rezaga. 6.-Ademe. 5.2.1-TOPOGRAFÍA: Esta actividadserefierealcontroltopográfico dentrodeltúnelyconsiste enseñalar líneay nivelparacadaciclo. Paraello labrigadadetopografía llevará alfrente,losdatosde pendiente de proyectoyel eje del túnel que puede ser una línea recta, curva circular, etc. Los aparatos topográficos necesariossonéltránsitoyelnivel.
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Con pintura sedibuja el perímetro dela secciónenelfrente detrabajo señalando losejes vertical y horizontal,al iniciodeltramo conviene señalar con puntos de pintura los lugares de losbarrenos quecorrespondenaldiagrama proyectado. Esto se hará unas cuantas veces hasta que los perforistas conozcan perfectamente la posicióndesusbarrenos. Ya que en términos generales la profundidad de barrenación varia entre 1.00 y 6.00 metros,el avance porciclo será del mismo orden,por loque el controltopográfico deberá repetirsedeacuerdoalavanceobtenidoencadaciclo. Es conveniente efectuar verificaciones de la línea y nivel del frente, a cada 30.00 metros basándose en datos obtenidos en superficie, por medio de orientaciones astronómicas y conaparatos demayorprecisión (distanciómetros ). El uso del rayo láser dentro del túnel para indicar datos topográficos en el frente, reduce finalmenteelcostode labrigadatopográfica. El tiempo estimado en señalar línea y nivel en el frente es de aproximadamente 15 minutos. Otras de las funciones de la brigada de topografía es la de tomar datos de varios puntos del perímetro de la ultima sección excavada para dibujar de inmediato en papel dicho perímetro a escala y detectar sobreexcavaciones que quedarán dentro de la sección de proyecto. En el caso de sobreexcavaciones, se tomarán medidas correctivas en la barrenación y/o carga de los explosivos; en el caso de peines, deberán efectuarse de inmediatoyaqueposteriormente,serámáscostoso portener lasinstalaciones alejadas. El grupo de secciones de cada ciclo, servirá posteriormente para él cálculo de los volúmenes de concreto real en el túnel de un revestimiento definitivo con ese material,y consecuentemente él cálculo de los volúmenes de agregados, cemento, etc; así como, rendimientos necesariosdecolocacióndelconcreto,deacuerdoaprograma.
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La barrenación se ejecuta con máquinas que pueden ser perforadoras neumáticas manuales, perforadoras neumáticas montadas sobre brazos hidráulicos, o perforadoras hidráulicas. El número de perforadoras depende de la sección del proyecto y de la mayor parte del equipo conquesecuentaen laobra. Paraelcálculode labarrenación podemos basarnosen losiguiente:
NB xPB TB= Nq xrq TB=Tiempodebarrenación (hrs). NB=Númerodebarrenos. PB=Profundidaddebarrenación.(metros). Nq=Númerode perforadoras. rq=Rendimiento decadaperforadora (m/hr). 5.2.3.- CARGA : Incluye el sopleteo de barrenos, colocación del explosivo dentro del barreno, conexiones de los detonadores, conexión en línea de tronada, y voladura desde el interruptor o de corrienteeléctrica. Al utilizar cartuchos o bombillos explosivos, será necesario undetonador que irá colocado uno en cada barreno y dentro de uno de los cartuchos, dejando sus alambres en el exteriordedicho barrenoparadespuésserinterconectados conelrestodelosalambres. Los circuitos quedan conectadosenparalelo yfinalmente dosterminales se unen acables o,alambres demenorcalibrequelleganalalíneadecorriente.
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Es importante hacer notar que nunca se deberá simultáneamente estar barrenando y cargando conexplosivoslosbarrenosyaterminados. Al hacer lavoladura conemulsionesexplosivas, se realiza labarrenación a la profundidad deseada, 1.2 a 1.5 normalmente,haciendoelcircuitoconprimacord elcualva ligado alos estopines, los cuales están introducidos dentro del cartucho, posteriormente se coloca un fulminante explosivo alcable primacord que hará que sedetonen los estopines, que asu vez detonarán a los cartuchos, por ultimo se coloca la cañuela, procurando una longitud suficiente paratener eltiempo necesario paraalejarse antesdeladetonación. Eltiempo de cargade losexplosivos enelfrente,varía con la habilidad de los pobladores, que generalmente son los mismos perforistas. Sin embargo, una receta aproximada es la siguiente:
S Te= NPxK Te=Tiempo decarga.(hrs). S=Kg.deexplosivo. NP=Númerodepobladores. K=Rendimiento delpoblador. (aproximadamente 20Kg/hr). Laperforación delarocaen lostúneles serealizaefectuando unaseriedebarrenos enlos que se coloca el explosivo junto con los detonadores. Los barrenos y su orden de encendido se disponen según un plano previamente proyectado ( diagrama de barrenación). Los primeros barrenos tienden a crear un vacío hacia el cual se vuela sucesivamente el resto de la roca. Esta abertura es llamada cuña y se puede considerar la primera que rompe ofractura la roca. Los modelos de cuñas o cueles quedan formados de acuerdo a la disposición de los barrenos, siendo las principales las cuñas en abanico y cuñas paralelasocilindricas.
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Las siguientes fases de lavoladura deben proyectarse para obtener el contorno deseado. Encuanto alacargaespecífica,éstaaumenta aldisminuir eláreadelfrente porestarmás confirmada laroca. CUÑA ENABANICO: Este tipo de cuele o cuña esta formado por barrenos que forman un abanico. La distribución irregular de la perforación y la necesidad de una planificación de profundidades delosbarrenos,hanhechoqueenlaactualidad hayadisminuido suuso. ( Figura 5.1). CUÑA EN"V": Enuncueleocufia en"V",es muy utilizado en laexcavación detúneles, aunque para ello se necesita una cierta anchura del túnel para lograr un buen avance. La precisión de la perforación influyeen el resultado de lavoladura. Esimportante hacer notar queel ángulo delvértice interiordelacuñadebedesermínimode60° (Figura 5.2 ). CUÑA ENPARALELO: Todos los barrenos son paralelos entre sí y la rotura tiene dirección hacia un barreno con carga que sirva de abertura inicial,ya que el barreno vacío es de undiámetro mayor que losdemás,estos sedenominancuelesocuñadegrandiámetro, podemos mencionar tres tiposdecuñasdebarrenos paralelos:cuñaquemado,cuñacilindricoycuñaen cráter. Enlacuñaquemado,laaperturatiene lugar hacia unoovarios barrenosvacíos. En la cuña cilindrico, la apertura esejecutada hacia unbarreno vacío detalforma que la cuña se abre progresivamente al detonar las primeras cargas, esta se desarrolla en toda sulongitudquedandolimitadoelavancepor ladesviacióndelosbarrenos.
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En el cuele de cráter consiste en una o varios barrenos cargados cuya velocidad se efectúa haciaelfrentedeltúnel.(figura 5.3 ). 5.2.4-SECUENCIADEENCENDIDODELOSDETONADORES: La mayor eficiencia en el desprendimiento completo de la roca se obtiene al aplicar el principio de rectangularidad para indicar las líneas supuestas de ruptura. Deesta forma y por lo quedadefinidalasecuenciadeencendidoquedebeusarse. Los barrenos de cuñadeben ser losprimeros endetonar, paracrear elvacío hacia elcual se volverá sucesivamente el resto de la roca. Así la elección de tiempos en los detonadores debeseguirestasecuencia. 5.2.5 -VENTILACIÓN: El trabajo de excavación en túneles requiere el suministro de aire fresco en el frente de excavación,queesellugardondeseencuentra laborando lamayorpartedelpersonal. Además, en el caso de túneles en roca, después de la voladura habrá que extraer los gases de los explosivos. El gasto del aire fresco se calcula de acuerdo al número de personas, cantidad de explosivos, maquinaria eneltúnel,y setoma en cuenta la sección transversaldeltúnel. El aire se suministrará desde el exterior del túnel haciendo uso de ventiladores de motor eléctrico, y tubería de lamina engargolada de lona o plástico. Una vez calculado el flujo requerido, se elige el ventilador adecuado y se obtiene el diámetro de la tubería y separaciónentreventiladores.
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5.2.6 - REZAGA : Esta actividad consiste en remover los escombros del material producto de la voladura,y quecomúnmente sellamarezaga. La duración de esta actividad depende de la sección del túnel, profundidad de barrenacion, coeficiente de abundamiento de la roca,y la precisión en la ejecución de los barrenos, ya que esto ultimo podría redundar en un incremento del volumen de roca extraídodelfrente,yfinalmentedelrendimientodelamaquina rezagadora utilizada.
La rezaga se cargaenvagonetas camiones encasode portales,o la base de la lumbrera en donde se extrae a superficie generalmente por medio del sistema detorre y malacate. ( Figura 5.4y5.5) 5.2.7 ADEME: No siempre esta actividad forma parte del ciclo, ya que si se tratara de un soporte de concreto lanzado en un túnel, cuya sección sea lo bastante amplia, podría ejecutarse simultáneamente conlarezaga. Entúnelesdesección pequeñaeltiempodelademedepende deltipodesoporte,quebien puedeserconmarcos metálicos,conretaquedemaderas,concreto lanzado,anclas ouna combinación deestos.
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5.3 PROCEDIMIENTO CONTUNELEADORA DEPLUMA : Consiste en excavar una longitud de túnel tal que se pueda autosoportar mientras se coloca el ademe, utilizando comoelemento principal una cabeza cortadora montada enel extremo deunbrazoopluma. Básicamente consiste en un aparato autopropulsado, con motores eléctricos, que tiene una pluma oscilante en todas direcciones en cuyo extremo se encuentra un cortador; El material desprendido cae en una charola en donde es empujado hacia una banda transportadora por unosbrazosmóviles. Dela banda transportadora puede pasar aun sistema de carga de vagonetas similares al deltopoobiencargarseavagonesdeotrotipo. Ingenieros Húngaros,AustríacosyRusosprodujeron laprimerageneracióndeestetipode máquinas, entonces relativamente ligeras ya que pesaban entre 5 y 17 toneladas con motores para movimiento del cortador de 50 H.P. Sediseñaron para cortar rocas medias, conesfuerzo de ruptura menores alos400 Kgs/cm2,aprovechándose enexplotaciones de carbón,arcillasymaterialessuaves. Una segunda generación de maquinas se desarrollo con el objeto de cortar rocas mas duras,conesfuerzosderupturadelordendelos800Kgs/cm2. El peso de estas máquinas esta comprendido entre las 20 y 30 Tons y la potencia del motordelcortador alcanza los 130H.P. La mayoría de las máquinas deesta segunda generación fueron desarrolladas entre 1970 y 1972. En 1973 se empezó con lo que puede considerarse la tercera generación de máquinas mineras, la pluma ya que las anteriores no son lo suficientemente poderosas que las anteriores paraatacar losestratosdurosqueseencuentranenformaciones carboníferas.
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5.3.1 CORTADOR TIPO FRESA: Enestetipo el cortador cilindrico o cónico gira sobre unejeque es el mismo de la pluma, en estas condiciones, la fuerza cortante se ejerce principalmente a los lados, lo que impide usarelpesototaldelamaquinaenelataque. Cuando la rocaes relativamente dura,lamáquina necesita serempujada lateralmente con gatosespeciales. El cortador de fresa arroja los trozos de roca cortados del frente hacia los lados lo que complicaelacarreo delarezaga hacia labandatransportadora. 5.3.2 CORTADOR DESGARRADOR : Eneste tipo el eje del cortador es normalalejede la pluma, por loquetodo el peso dela maquinayelempujedadoporsuscuchillas puedenutilizarse paraefectuar elataque enel frentedeexcavación. Además, un 80% de la roca triturada es arrojada a la charola y transferir a la banda transportadora. En términos generales, el cortador por desgarramiento produce un 30% mas de material que el tipo fresa, por lo que se prefiere el primero, aunque, hay máquinas en las que los cortadoresson intercambiables. Tantoelcortadortipofresacomoeldesgarrador, producen polvoduranteelataque,elcual genera un problema queaun nose ha resuelto,ya que no se puede colocar una pantalla queaisleelfrentedelaexcavación,porlotanto,serequiereunaventilación excelente. Ambos cortadores están formados por cuerpos masivos que tienen los elementos cortantes o dientes colocados siguiendo espirales, los cuales están fabricados de carburotungteno,ysonreemplazables. En el caso del desgarrador, el corte es producido por los dientes al incidir sobre la roca teniéndose, unafuerzadebida alatensión producido,porelmotoralcortador. Estafuerza puedevariarseconelempujedadoporungato(Fig5.6 ).
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Como la pluma puede oscilar horizontalmente, es posible aplicar fuerzas horizontales que ayudanalprocesoderupturasaliendoelmaterialenformadelajasdediferenteforma. Silarocaessuave unbuen númerodedientes estánen contacto simultáneo conelfrente deexcavaciónylaproducciónaumenta. Si la rocaes muydura,eloperador delamaquinapuede hacerque unsolodiente estéen contacto, concentrandoenéllasfuerzasverticalyhorizontal. Comoenelcasodeuntopo,laproducciónorendimientodelamáquinadependeenforma importantedelgradodefracturamiento delaformación. Acontinuación sedan lascaracterísticasdeunamáquinadetipomedio: TIPO CORTADOR: • Potencia motor cortador.
160 K.w.
• Pesode lamáquina
45tons.
• Diámetro delcortador
940mm.
• Númerodedientes
104
• Máximodedientesapoyados simultáneamente
1
• Máximafuerza dereacciónpordiente
41a45tons
• Máxima potencia pordiente
160 K.w.
Elciclodetrabajoquedaintegrado por: 1.- Excavacióny, 2.-Rezaga. La excavación y rezaga puede ser efectuada por la misma tuneleadora cuando se cuenta con sistemas incorporados, o puede ser necesaria una máquina independiente para la cargade larezaga.
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5.4 PROCEDIMIENTO CONTOPOSMECÁNICOS : Una variante de excavación de túneles en roca es el uso de topos mecánicos cuando el material por atacar consiste en una roca competente y buena capacidad para autosoportarse, maquinas perforadoras deagarrelateral. Las paredes de la excavación debentener la capacidad de carga necesaria para soportar el empuje de los carros de agarre que permiten el empuje longitudinal sobre la cabeza giratoria delaperforadora. Teóricamente elavancees continuoyaque simultáneamente con laexcavación se coloca elademedetrás estasmáquinas. Aestetipodemáquinas selesconoceconelnombrede"TOPOS". Untopoconsisteenlosiguiente : Un cuerpo metálico muy robusto que se atraca contra las paredes de la excavación por medio de gatos hidráulicos, una cabeza giratoria con un número variables de cortadores quetambién giran sobre su propio eje, un sistema de gatos que produce una presión de loscortadoresdelacabezagiratoriasobreelfrentedeexcavación. Elgirodelacabeza cortadora seefectúa pormediodemotores,electrónicos ohidráulicos, queaccionan sobreunacorona ligadaalacabeza pormediodeunaflecha. En la mayor parte de los topos los motores se encuentran en la parte posterior, desplazándose junto con la cabeza al accionar los gatos de empuje, en cada empuje el avanceesde60cms. Loscortadores queseencuentran enlacabeza presionan contraelfrentegirando suejey produciendo uncorteenelmismo. Larocasefractura cuandoelesfuerzo producido porel filodeuncortadorexcedealderupturadelamisma.
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Los cortadores puedentener, 2,y hasta 7 pistas cortantes por lo que en elfrente setiene unaseriedeopcionesdecorteseparados 2,3,5omáscentímetros. Elproducto delcorte, en este caso la rezaga, esta constituida por lajas y, dependiendo del tipo de roca, de un gran porcentaje de finos. Los cortadores perimetrales están protegidos por unos raspadores que están colocados delante de ellos e impiden una acumulación de material suelto, principalmente en el piso deltúnel. La cabeza tiene unos cangilones que recogen la rezaga y la depositan en una banda transportadora, que se encuentra en la parte superior del topo, y que la conduce hasta la zona de carga a las vagonetas o camiones detrásdeltopo. Unapantalla aisla lacabezagiratoria delcuerpodeltopoparaevitar en loposible elpolvo. Se rocía aguasobreelfrente de laexcavación conelfindebajar la cantidad de polvo,así como lubricante. 5.4.1 ELEMENTOSAUXILIARES: Eltopo esta provisto en su parte superior de una banda transportadora de rezaga que es cargada por medio de los cangilones de la cabeza y descarga en la tolva donde otra banda transportadora, que puede ser de aproximadamente 100.00 metros de longitud colocada sobre unaestructura metálica formada por marcostransversales unidos entresí. Laestructuraesta provista de ruedasqueseapoyansobre rielesseparadosdelos marcos metálicos aproximadamente a 2.10 metros, de manera que las vagonetas extractaras de rezaga,puedanserdeunacapacidadde 10m 3 . Este sistema de carga de rezaga es bastante eficiente, y puede utilizarse en un sistema convencional en donde el topo es sustituido por unjumbo de barrenación, haciéndose la cargaalabandapormediodeunarezagadora.
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B 1 WJ i.= - J • ¿. C A Aproximadamente a 10metrosdellaparteposteriordeltoposedispone de una estructura con brazos hidráulicos con el propósito de colocar el revestimiento del túnel, que puede estarformado poranillosdeconcreto reforzado. Toda la estructura que soporta la banda transportadora, así como eljumbo colocador de dovelas, transformadores, soldadores, etc, es arrastrada por el topo cuando este es colocadoenposicióndeataquealfrentedeexcavación. La energía eléctrica es conducida en4,160 volts hasta un transformador que viaja con el topo, mismo que baja lacorriente a440 volts para alimentar los motores del mismo yotro que la baja a 110 volts para la iluminación del remolque con la banda, y el uso de herramientas eléctricas. Además de los motores que hacen girar la cabeza cortadora, se tienen motores para las bombas del sistema hidráulico que accionan los gatos de empuje y atraque, motorreductores delasbandasymotorde labombadeagua. El operador del topo lo coloca en posición por medio de los gatos de atraque, y ataca haciendo girar la cabeza y empujándola contra el frente de excavación. El par de torsión debidoalcortelocontrola conelamperímetro delosmotoresdegiro. Elempujesemideconunmanómetro dondeseindicanlasfuerzas alapresión. El alineamiento de la máquina se debe llevar por medio de un rayo láser y es necesario tener operadores cuidadosos ya que al salirse de la línea, habrá que describir curvas grandes para notrastornar laoperacióndelabandatransportadora. El topo tiende a deviarse hacia algún lado dependiendo del sentido de rotación de la cabeza. El polvo del frente de excavación es extraído por ventiladores ( extractores ) de gran capacidad. En el caso de presentase alguna falla en el terreno pueden colocarse marcos metálicos circulares colocándose en lazona ocupada poreltopo,dejando espacio para el apoyo de laspatasdeataque.
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En terrenos fracturados que producen piedras grandes, mayores a 25 centímetros, estas pueden atorarse rompiendo los cangilones o bien la tolva de la banda transportadora del topo. Para minimizar los daños al sistema de rezaga, es conveniente el poner una rejilla protectora quegirejunto con lacabeza cortadora y que permita el paso de fragmentos de roca que pueda asimilar el sistema de rezaga. Los cortadores sobresalen de esa rejilla más omenos 3centímetros.Además,esconvenienteque porelsistema de rezaga quepa elmayortamaño posiblederoca. CORTADORES: Sepuedeconsiderar aloscortadorescomoloselementos másimportantes delamáquina. Haydostiposdecortadores: 1.- Conanillos lisosconendurecimiento superficial. 2.-Conanillosdecarburotungsteno. En ambos casos el cuerpo del cortador es de acero forjado de gran dureza y gira sobre baleros, en una flecha sostenida en sus extremos por una silleta fija con la cabeza giratoria deltopo. El cortador es cónico, cilindrico y su diámetro es variable ( aproximadamente 25 centímetros). Los cortadores están colocados de modo que sus filos describan circunferencias concéntricas con lamenorseparación entreellas. Unodeloscortadoresdeforma especial quedaenelcentro.
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En el caso del cortador con anillos, éstos pueden estar forjados de una pieza con el cuerpo del cortador o pueden ser colocados a presión y con punto de soldadura. Él número de anillos en uncortador puedevariar de 1a 5o más pero en cualquier caso, su sección es triangular y el filo cortante es endurecido superficialmente hasta alcanzar su durezaoptima. Estos cortadores de anillo o disco se ven y operan como una cortadora de vidrio, el empujedelcortador contralacaradelarocahacesaltar esquirlas aambos lados.Seusan principalmente en rocassuavesocircunferencias Inferioresderocasmedias oduras. Loscortadoresdecarburodetungstenopuedenasuvezserde2tipos: DENTADOS : Con insertos grandes, con forma parecida a los antes descritos o con botones de carburo de tungsteno. Estos cortadores causan lafractura creando esfuerzos concentrados muyaltosenlapuntadeldiente. CORTADORES : Los que ocupan la posición mas crítica son los de la periferia, ya que vanformando la paredyelfrentedeexcavación,sonlosquemayorvelocidad linealtienen peropuedencambiarseaposiciones inferioresyahíterminar suvida útil.
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5.5 MAQUINA TUNELERA ( T.B.M.): (UTILIZADAENEL.TÚNEL#5DELACUAFERICO) Elequipo detuneleo integralTBM"DS.364omáquinatunelera"topo",es una herramienta de tipo mecánico para la excavación de túneles en roca y tiene la versatilidad de poder conformar la estructura del túnel de manera simultánea con la colocación de anillos de dovelas o bien con dispositivos de perforación para anclaje. La máquina tunelera que se utilizó para laexcavación deltúnel# 5fuediseñada enespecial paraesta obra, de donde considerando la presencia de andesitas, basalto y formaciones mixtas de basalto con escoria volcánica, por lo que cuenta con innovaciones tecnológicas en materia de construcción de túneles. Porejemplo, una de las innovaciones es la geometría plana del cabezal cortador, con lo que se pueden realizar cortes en la escoria en forma vertical,de talmaneraque nocargue laaristadeperforación.
MAQUINATUNELERA(T.B.M.) AJUSTESFINALESDELACOLOCACIÓN DELSISTEMADECORTE.
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Los antecedentes tecnológicos deesta máquina sondeorigen europeo construidos porla empresa CSM BESSACencargadade realizarobrasdetipoférreoycarretero. Estenuevo equipo fue construido por la empresa Roubin BORETEC y su construcción tuvo una duración de un añoen la ciudad deCleveland,Ohio, EUA. Fuetrasladada a la Ciudad de México en junio de 1995 al portal de la derivación # 4, por lo que una vez armada en el patio de maniobras por personal calificado en aproximadamente 45 días, se procedió a desplazarla por medios propios através de los 540 mde la derivación # 4 hasta el frente deataque,así laexcavaciónseinicióel6deoctubredeesemismoaño. 5.5.1 LAS ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL"T.B.M."SON: Cabezal plano de 3.64 m de diámetro y un metro de largo que puede girar en dos direcciones, en él se distribuyen en diferentes ángulos 25 discos cortadores giratorios de 43 cmde diámetro, esta cabeza puede retroceder ygirar sobre sueje cilindrico, gracias a su mecanismo de deslizamiento sobre rieles. La potencia es de 933 KW (1250 HP) en cinco unidades de 186 KW (250 HP) cada una; su velocidad máxima de rotación en los motores es de 755 K.N.M (557 000 pie-lbs) y su velocidad baja es de 1510 K.N.M (893 800 pie-Lib) - máxima 11 R.P.M., mínima 1.8 R.P.M.-. El tren motriz es de dos velocidades con motores de embrague hidráulico, posee limitador par, caja de engranes y planetarios de dos velocidades. Tiene un empuje máximo de excavación de 912 Ton (2 010 500 Lbs o 322 Kg/cm2). Su banda transportadora tiene una capacidad de carga de rezaga de 180 Ton/hr equivalentes aproximadamente, a 10 m de avance). Consumo máximodeenergíaeléctrica esde 1 600Kv. Posee undobleescudo,quesoncilindrosde placa de VA"deespesor, el primero sirvede apoyoalacabeza cortadora,alosmotorese imprime rotaciónyen elsegundo escudo,se apoyan losgatos hidráulicosconlosquecuenta paraapoyarseen lasparedes yenelpiso evitandofallas contraelterrenocomoloeselcabeceo,además de losgatos transversales que permiten fijar el avance de la sección cortadora. Entre los dos escudos existe un cilindro adosado alsegundo de losescudos,conmenordiámetro ycon longitud de 1.20 m y queequivalealacarreradelosgatosdeempuje.
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En la parte posterior del escudo tiene instaladas dos perforadoras que con ayuda de su desplazamiento longitudinal y a través de las ventanas del faldón del escudo es posible realizar perforacionesparaanclaje aúnduranteeltiempode excavación Entre la máquina tunelera y el tren de instalaciones se dispone de una zona de diez metrosdondesepuedencolocar lasdovelas depiso,víayelsoporteprimario.
ÁREA DECOLOCACIÓNDEDOVELASDEPISO, YSOPORTEPRIMARIO.
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Cuenta con untrende apoyode instalaciones deenergía eléctrica e hidráulica, cabina de operación, gabinetes de circuitos electrónicos, motor de extracción de polvo, cartucho alojador delducto para laventilación,plataforma decambiodevíaysistema de llenado de vagonetas para la extracción de la rezaga, el desalojo se realiza sin detener el ciclo de operación. Elpesototaldeltopoesde 185Toneladas, mide9 mde largo ytiene unavida útil de aproximadamente 30 Kmde excavación en roca. El rendimiento considerado en el diseño es de hasta 26 m/día, que corresponde de 3 a 4 veces más respecto al método convencional. Esta máquina con la respectiva adecuación permite tomar la decisión de revestir con elementos precolados que se colocan conforme se avanza en la excavación, por lo que son muy importantes las consideraciones de carácter geológico y de funcionamiento del túnel paraproceder aestasolución. En formaciones mixtas y/o inestables, el corte circular comparado con el perímetro irregular que se obtiene con el método convencional, resulta más rápido, con menores solicitudes de carga sobre el soporte provisional, por lo tanto, más seguro y con mucho menorcoeficientedesobreexcavación. 5.5.2 PROCEDIMIENTO DEEXCAVACIÓNYSOPORTE PRIMARIO: El ciclo de excavación inicia con la extensión de los gatos hidráulicos (zapatas laterales) del segundo escudo a las paredes del túnel, los cinco motores dan rotación al balero el que a suvez trasmite el giro al cabezal cortador, entre tanto, con el accionar de los ocho gatos hidráulicosdeextensión seejerce presióndehasta 915Toneladas, los25 puntosde contactoqueson losdiscos cortadores producen alterreno lafatiga alatorsión con loque seprovocaelrompimiento deesquirlas de laroca,lascuales sonarrastrados por el propio giro de la cabeza cortadora y se introduce por gravedad en cualquiera de los cuatro cangilonesdispuestosacada90°,loscangilones nopermitenelpasoderocasmayoresa
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25 cm de diámetro, evitando que se atoren con alguna instalación o con el soporte primariodeltúneldurantesutransportepor labanda,deloscangilones caenaunatolva receptora cuyofondo es la 1 abandatransportadora laquetiene longitud de 30 myda un giro en 45 segundos, de ahí pasa a la 2a banda la que finalmente deposita el material cortadoen lasvagonetasqueconformesellenan lasvadesplazando lalocomotora;conla apertura de los gatos de extensión, el primer escudo va avanzando hasta una carrera máximade 1.20 metrosjuntocontodoeltrende instalaciones (elmovimiento setrasmitea través de las vigas metálicas que contienen el transportador de rezaga), el cual se va deslizando sobrelosrielesquehansidofijadosenlasdovelas depiso,mismas quesevan colocando en el momento de la retracción del segundo escudo, esta última maniobra se realiza con la retracciónde atraque del2oescudo,laextensión de losgatos auxiliares del primer escudo y el accionar de cierre de los ocho gatos hidráulicos, con lo que se completaelciclodeexcavación. La evaluación de la calidad de la roca se analizó considerando
los métodos en
excavaciones subterráneas NGI (Barton) ySCIR (Bieniawski). Con losvalores resultantes de la calificación por ambos métodos, más la experiencia de ocho años en promedio del personal en excavaciones subterráneas y con el apoyo de los datos disponibles de las deformaciones de la roca de los tramos de túnel de esta tercera etapa, se determinó la necesidad de colocar o no el soporte provisional. Por las características de la tunelera y las restriccionesdeespacio,elsoportequeconmayoroportunidad sepuedecolocaresel marco metálico, así que a lo largo de la excavación, fue el que con mayor frecuencia se tieneeneltúnel,lacolocacióndeanclasyconcreto lanzadoseaplicó en loscasos enque el tiempo de autosoporte es del rango de semanas y su función mas que estructural, es como una medida de seguridad para evitar debilitamiento de algunos bloques, recubrir el material susceptible al intemperismo acelerado o al graneo por la vibración generada por las locomotoras; las anclas utilizadas son de tipo mecánico denominadas como swelex y con longitud de 1.50 m, mientras que el concreto lanzado con /'c = 150 Kg/cm2, por lo generalseaplicó conespesorde3cmenlamediasecciónsuperioryenalgunos casosen %"deseccióndetúnel.Tambiéndemanerapuntualseadicionóalsoporte provisional
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módulos demallade 1.2 mpor 0.6 m yrefuerzos decanalen"U" de4", finalmente enlos casos donde se presentaron caídos se requirió levantar estructura a base de vigueta metálica de4"x6"ymarcos metálicos realizados convigueta queen laszonasdetúnel piloto. Se presentaron dos condiciones en los sitios con soporte a base de marcos, una con sobre excavación donde se requirió ademar con madera paratrasmitir las cargas del terreno a los marcos y la otra, con corte completamente circular donde no se requirió ademe. El procedimiento de extracción de rezaga, se efectuaba con corridas que constaban de locomotora y 6 vagonetas con capacidad de 8 m3 cada una ( se llegó a operar con 5 corridas, cuando el material del frente era el propicio para la excavación); una vez transportada hasta el patio de maniobras de la derivación 4 eran llevadas hasta la grúa pórtico, lacual podíavaciar dosvagonetas a lavez,elproceso devaciado de la corridase efectuaba en promedio de20minutos loqueequivale a48 m3,posteriormente esta rezaga era depositada en camiones devolteo por mediode un cargador frontal,que a su vez era transportada a dos destinos, uno como relleno de predios y calles aledañas a la obra y otroera llevada al almacén de rezaga con la finalidad de utilizarlo como agregados en la etapade revestimiento definitivo,conelprevioproceso detrituraciónycribado.
VAGONETASDE REZAGA 58
CAPITULO V I : EXCAVACIÓNDETÚNELES ENSUELOS: 6.1 PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL: Se conoce como procedimiento convencional de excavación de túneles en suelos, al método y criterio que se ha venido utilizando con mayor frecuencia principalmente en suelos compactos. El equipo utilizado perfectamente es el compuesto por martillos neumáticos para la excavación y máquinas rezagadoras neumáticas oeléctricas, así como, cargadores sobre llantasosobrecarriles para larezagadelmaterialproducto delaexcavación. Elprocedimiento convencional seutilizadedosmaneras: 1.-Ataque aseccióncompleta. 2.-Ataque amediasección. 6.2 ATAQUEA SECCIÓNCOMPLETA : Este método se utilizaenfuncióndeltamaño de lasecciónodel grado decompacidad del suelo, las dimensiones del equipo de rezaga puede determinar el ataque a sección completa,siempreycuandoelmaterialporexcavar lopermita. Elavance porcicloquedadeterminado también por lacalidaddelsuelo. Enéstemétodo el ciclodetrabajo seintegraporactividades secuenciales (excavación,rezaga,ademe).
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6.3 ATAQUEAMEDIASECCIÓN : Se conoce este método también como procedimiento de banqueo o de terrazas y es utilizado en túneles de gran dimensión o en túneles pequeños con suelos de poca cohesión. En general setienen dos frentes desfasados una longitud que es la del banco. El ataque de losdosfrentes puedesersimultáneooalternados. La profundidad de la excavación por ciclo queda determinada como el caso a sección completa, porlacalidaddelmaterial. Cuando el tipo de ademe seleccionado es a base de marcos metálicos, la instalación de los mismos se facilita con este método apoyando las piezas que forman la parte superior dedicho marcosobreviguetasdeacero,queasuvezdescansan sobreelbanco. Conforme seavanzaenlaexcavacióndelasección inferior, laspiezasfaltantes del marco ( postes) soncolocadas. El tiempo de ciclo de excavación variará con la alternativa de ataque simultáneo de las secciones superioreinferior, oelataquealternado. 6.4 PROCEDIMIENTO CONTUNELEADORAS DEPLUMA : Conestas maquinas el método essimilar al utilizado en laexcavación detúneles enroca, haciendoalgunasadaptacionesproductodeltipodematerial. • Longituddeavanceporciclo. • Tipodecortadoresdelacabeza rozadoraespeciales parasueloscohesivos. • Si la tuneladora no cuenta conequipo incorporado para la rezaga, la maquina auxiliar paraestefindeberáseleccionarse paratrabajarentalmedio. Eltrabajo de estas máquinasserealiza en aquellos tipos de suelo con cohesión y fricción comolasarenasarcillosas,limosplásticosyarcillasfirmesnoexpansivas.
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6.5 PROCEDIMIENTO CONESCUDO : Cuando la resistencia al esfuerzo cortante en un suelo blando es baja, la aplicación del métododelescudo eselmásfrecuente. Laidea básica esqueel proceso deexcavacióny ademe sea prácticamente simultánea. La función primordial del escudo, es resistir las presionesqueejerceelterreno mientrasseefectúa lacolocacióndelademeenesazona. Lostrestipos principalesdeescudo son: 1.- Escudodefrenteabierto. 2.- Escudodefrentecerrado. 3.-Escudoconpresiónalfrente. 6.5.1 ESCUDO CONFRENTEABIERTO : Este tipo de escudo es un cilindro de acero rígido abierto en sus dos extremos longitudinales; presenta grandes facilidades en el frente de ataque para realizar la excavacióndelterreno y hacer menosdifícil lostrabajos de revestimiento prefabricado,ya quecuenta conunbrazocolocadoen laparte posterior. La parte principaldelaestructura delescudo recibeel nombre de "camisa oforro", lacual estaconstruida deplacasdeacero unidasentresí,dándole unaformacilindrica. La camisaoforro,asuvezsedivideentrespartes: 1.- La cuchilla cortadora, colocada en el extremo delantero de la camisa y cuyo diámetro esligeramente mayorqueeldiámetrodelescudo.Tienelacapacidad depenetrar unsuelo blando bajoel impulso de unaseriede gatos hidráulicos apoyados contrael revestimiento final. Esreforzadaysurigidezinternaseincrementaconanillos.
2.- El tronco o parte intermedia de la camisa sirve para alojar la maquinaria que permite impulsar hacia delante el escudo, tales como gatos hidráulicos, así mismo, tableros de operación,plataformas detrabajomontadassobrepostesatiezadores,etc. 3.- La cubierta trasera del escudo se le conoce con el nombre de faldón,y esta diseñado detal maneraque puedesoportar laspresionesverticales ejercidas porelterreno. Enésta parte es donde se realizan las maniobras necesarias para ir colocando el revestimiento prefabricado deltúnel,amedidaqueavanzalaexcavación. La estructura total del escudo se complementa con maquinaria especial para la excavación; rezaga y transporte del material, montaje e inyección. El escudo esta equipadodecuatro plataformasderastrasen lascualesestáncolocados: Elbrazo erector, bombas para proporcionar el fluido hidráulico para los gatos, equipo hidráulico de emergencia y el control eléctrico para protección y operación del equipo, incluyendo un transformador deenergía eléctrica (Figura6.1 ). 6.5.1.1
CICLO DEOPERACIÓN :
Laexcavación de untúnel se realiza estableciendo unciclo de operación, cuyo propósito es llevar a cabo una comparación de costos entre cada fase de un proyecto. También permite conocer si laejecución deltrabajo con respecto altiempo séesta efectuando taly como se planeo, para en caso contrarío,se preste atención especial a aquellas fases del trabajoquevan retrasadas. La excavación se realiza en el frente mediante el uso de martillo neumático, brazos excavadores uotrotipodeherramientasadecuadas.
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Elademadodelfrenteconsisteencolocartablerosdemaderainmediatamente después de terminar el "banqueo". Los tableros son detenidos por los gatos frontales que el escudo lleva en lapartedelantera. Estosgatostienen además,lacualidad de retraerse al avanzar elescudo,manteniendo unapresiónconstanteenelfrentedeataque. Enforma simultánea a laexcavacióny alademefrontal,seinicia laextraccióndel material cortado. Paraesto,primero sebaja lamampara queretienealosescombros ydespués se permiteelaccesoaunamáquina rezagadoraconbandatransportadora, lacualdepositael material en vagonetas que arrastradas por una locomotora se encargan de llevarla a la lumbrera. De ahí la rezaga es elevada a la superficie por medio de un malacate y vaciado a una tolva, hastadonde lleganloscamionesdevolteoencargados deacarrear losescombros a
lazona detiroelegida. Terminadas las excavaciones, ademe del frente y rezaga, se levanta la mampara con el objeto de impedir que el suelo que pudiera desprenderse del frente durante el empuje caigadentrodelazonadelfaldóndondeseharálaereccióndelanillo. Acto continuo se accionan los gatos de empuje y se hace avanzar el escudo, hincándolo enformadecuñaenelterreno. Los gatos frontales permanecen presionando al suelo del frente gracias a la acción automática deretracciónqueposeen. Elempuje define losalineamientos y pendientes del proyecto con la ayuda de un sistema combinado laser-teodolito. Esta combinación se monta en un soporte especialmente diseñado, fijo al revestimiento. La posición del laser-teodolito y la orientación de la luz lásersecalculan conequipode procedimiento electrónico dedatos yes registrado enuna computadora. La luzláser sedirigecontinuamente adostarjetas fijas enelescudo,en las intersecciones delaluzconlastarjetas aparecenpuntos rojostrazando trayectorias enlas tarjetas. La posición relativa de la trayectoria marcada por el punto de parada con la trayectoria calculada,indica ladesviacióndelescudodelaposicióndeseada. El uso del láser con tarjetas elimina mucho tiempo de comprobación después de cada empuje ayudandoaacelerarelciclo.
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Como el movimiento del escudo es una operación muy importante, su avance se debe realizar con el número de gatos adecuados. Estos se apoyan en el último anillo de dovelas,colocadoenelfaldóndelescudo. Terminado el avance se limpia la plantilla dentro del faldón para proceder a colocar el ademe primarioformado pordovelas. Estas pueden ser de concreto reforzado, acero o hierro fundido, y sus dimensiones dependerán, del peso que pueda ser manejado y de las dimensiones del faldón. El montaje de los segmentos se hace mediante un brazo erector que esta colocado en la parteposteriordelescudo. El brazo tiene facilidad de girar, desplazarse longitudinalmente y acoplarse a la dovela para ponerla en su posición final, la colocación de los segmentos se empieza del piso hacia los lados y en la clave se coloca una pieza de cierre, muchas veces los anillos formados tienden a adoptar unaforma oval y no circular como se proyecta, por lo que es necesario colocar un par de puntas para evitar su deformación. Este apuntalamiento se conserva hasta después de la inyección de materiales dentro del espacio vacío entre dovelasyterrenonatural. A continuación seaprietan lostornillos que sirvende unión entre segmentos ycon estose cierraelciclodelaexcavación. 6.6
ABATIMIENTO DELNIVELFREÁTICO :
Cuando la excavación de un túnel se realiza en suelos situados bajo el nivel freático, es necesario ejecutar un abatimiento del mismo con el objeto de facilitar las operaciones de construcciónyparamejorar lascondicionesdeestabilidad delfrentedeexcavación. Generalmente, el sistema de abatimiento consiste en perforar pozos hasta una profundidad bajolaplantilladeltúnelyenelloscolocar bombassumergibles. Los pozossedebendiseñardetalformaqueselogre sumáxima eficiencia permitiendo la mayor extracción delagua queseencuentre en lazona yque, además, impida la entrada de materialesfinos duranteelbombeoy laconsecuenteformación decavernas en lalínea aseguir porelescudo (Figura 6.2).
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6.7 ESCUDODEFRENTECERRADO: Un segundo tipo de escudo es aquel que lleva en todo sufrente una estructura metálica. Conocidaconel nombrede"mampara"quecontiene alsuelodelante de laexcavación.La mampara esta formada de viguetas de acero. La obstrucción frontal es el motivo por el cualaestamáquina seleconocecomo"EscudodeFrenteCerrado". La máquina tradicional del tipo mencionado, va realizando la excavación del túnel mediante simpledesplazamiento delsuelo,alpenetrar elescudo por laseccióndeempuje de losgatos hidráulicos. Estos están localizados dentro de la camisa del escudo para dar fuerza a la mampara apoyándose en las dovelas que integran el revestimiento primario. Losgatosdeempujedebenserdiseñados paravencer lassiguientes resistencias:
• Lafriccióndelterrenosobrelasuperficieexteriorde lacamisadelescudo. • Lafriccióndelanillodedovelas enelfaldóndelescudo. • Laresistenciadelterrenoquenohasidodesplazado enelfrentedelescudo. Sobre el túnel se sobreeleva la superficie delterreno por el suelo desplazado, que puede posteriormente dragarse,siasísedesea. Algunas veces resulta ventajoso permitir el flujo de algo de material hacia el interior del escudo,estosepuedeconseguir mediante unaomásaberturas muy pequeñas realizadas previamente en lamampara. Unos metros atrásdelescudo se cuenta con unaestructura metálica provista de ruedasy que se desplaza sobre rieles. Enella setienen los motores para las bombas del sistema hidráulico que accionan los gatos de empuje, motorreductores de las bandas que transportan el material que se permite pasar hacia el interior, un transformador que alimenta a los motores y otro que se usa para la iluminación y uso de herramientas eléctricas,yelequipode inyeccióndemateriales. El alineamiento del escudo se lleva por medio de un rayo láser, siguiendo el mismo sistema queparaescudos defrenteabierto.
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6.7.1 CICLO DEEXCAVACIÓN : El ciclo de excavación de un escudo de frente cerrado consiste de las operaciones siguientes : a) Empujedelescudo. b) Operación decompuertas. c) Rezaga. d) Ereccióndedovelas. e) Apretartornillos entredovelas. 6.7.1.1.EMPUJE DELESCUDO : El empuje del escudo se realiza por la expansión de los gatos hidráulicos que se apoyan en él ultimo anillo del revestimiento primario colocado. El empuje de los gatos debe ser uniforme para impedir que elescudo tienda asalirse de la línea proyectada. La dirección correcta delescudosecontrolamediante unsistemacombinadoderayoláseryteodolito. 6.7.1.2.OPERACIÓNDECOMPUERTAS : Conforme el escudo avanza, tas compuertas de las ranuras frontales se abren para permitirelflujodelmaterialhaciaelinterior. Cuandoya hapenetradoelmaterialnecesario, las compuertas se vuelven a cerrar. Impidiendo el flujo. Su manejo se realiza mediante gatos hidráulicosquelashacenaccionar.
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6.7.1.3. REZAGA : Simultáneamente alaoperaciónde lascompuertas, una bandatransportadora se encarga de ir recogiendo el material que fluye al interior y lo va depositando en una tolva, de ahí pasa directamente a las vagonetas encargadas de llevar el material producto de la excavaciónalalumbrera. 6.7.1.4COLOCACIÓN DEDOVELAS : Una vez terminada la' expansión de los gatos de empuje del escudo, se procede a retraerlos uno por unoparadarespacio alacolocación de lasdovelas. Elbrazo erector es utilizado en esta operación. La colocación se empieza del piso hacia los lados y en la clavesecoloca unapiezadecierre.
6.7.1.5 A P R E T A RTORNILLOSE N T R ED O V E L A S : Terminadoyaelanillodedovelas,seprocedeaapretarlostomillosquelasunenentresí, conesto secierraelciclodela excavación.
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6.8
ESCUDOCONPRESIÓNAL FRENTE :
Generalmente,parapoderaplicarestemétodoserequierede lossiguientes elementos: 1
Un escudo que mantiene estables las paredes del túnel y ayuda en la estabilidad del frente.
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Unacámara de presión alfrente llenade lodo presurizado que estabiliza lacara de laexcavación.
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Un disco cortador rotatorio sumergido en la cámara de presión que se mueve por mediodemotoreseléctricosohidráulicos paracortarelsuelo.
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Un sistema de bombeo que extrae la mezcla suelo-lodo de la cámara de presión y laenvía alasuperficie parasuposteriortratamiento yeliminación.
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Una plante de tratamiento instalada fuera del túnel, se encarga de separar el lodo estabilizador de lamezcladescargaday lodejaencondiciones para recircular enel frente.
6.9 AIRECOMPRIMIDO APLICADOA LAS PAREDES DELTÚNEL: Elempleodeairecomprimido,consistefundamentalmente enlosiguiente: Se coloca una mampara o un tapón en una sección del túnel, mediante una placa de acero,detalforma que noexista comunicación de un lado hacia otro, sellando además el terrenoconinyecciones paragarantizarelaislamiento. En un ladodeltapón, oseael lado de la lumbrera,el airetiene la presión atmosférica, del otro lado seempieza a inyectar aire,así la sección deltúnel entre elfrente de excavación yeltapónquedasujetaaunapresióndeairesuperior alaatmosférica. La entrada y salida tanto del personal como de materiales a esta cámara de trabajo presurizada se hace por medio de esclusas, que consisten en cilindros de metal que cruzanlamampara conpuertasselladasdeentradaysalida.
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Cuando se circula del lado de presión atmosférica al lado presurizado, se cierran ambas puertasy poco a poco seva inyectando airea presión,hasta que la presión en la esclusa se iguala con la cámara de trabajo, en esas condiciones se abre la puerta del lado presurizadoyelpersonal puedepasaralacámaradetrabajo. Con la rezaga ( material producto de excavación ) se efectúa la misma operación; Sin embargo, la velocidad con la que se elimina o alza la presión en la rezaga es mucho mayor. Para el personal es necesario tomar tiempos apropiados de compresión y descompresión,en base atablas preestablecidas enfunción de la magnitud de lapresión, yaque unadescompresión súbitapuedecausardañosalpersonal. Durante la permanencia delpersonal en lazona de aire comprimido, sedisuelve más aire en la sangre y en los tejidos que bajo presión atmosférica, por lo que, al terminar la jornada de trabajo, el personal debe ser sometido a un proceso de descompresión, evitandoqueseformen burbujasenlasangre. Todo el personal que trabaja bajo aire comprimido es mantenido bajo riguroso control medico,asímismo,laadmisióndepersonalsehacemediante unaselección muy rigurosa, a base deexámenes radiológicos yclinicos para comprobar la salud de lostrabajadores y sucondiciónfísica. Fundamentalmente se revisan oídos, pulmones, y conductos respiratorios, exigiendo un perfectoestadodesaludentodos loscandidatos. El objeto de formar una cámara presurizada es, principalmente, estabilizar el frente de excavación. Paraelcasode lasarenas saturadas,elflujodeairecomprimido delfrente de excavación haciaelterreno,provocatensiones capilaresqueevitanquelaarenayelagua fluyan hacia el interior del túnel, en el caso de arcillas de baja resistencia, se tiene una presión que contrarresta la presión del terreno, evitando así que la arcilla falle por extrusionypenetre haciaeltúnel.
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6.10 PROCEDIMIENTO DECONSTRUCCIÓN : El procedimiento de construcción cuando seemplea aire comprimido en la excavación de túneles, prácticamente esel mismoque sesigue cuando se utiliza únicamente escudo de frente abierto quetiene como actividades criticas en su ciclo de operaciones como son la rezaga, el empuje del escudo, y la colocación de un anillo formado por dovelas, y como actividades secundarias como el,ademe del frente, ajuste de tornillos de los segmentos, bajadadematerialeseinyección. Elempleo del airecomprimido requiere,además de las actividades anteriores, de tiempos de compresión para poder entrar a la cámara de trabajo y tiempos de descompresión al salirde lamisma. Estos tiempos son de gran importancia, sobre todo, cuando la compresión o descompresión se realiza con personal, por tal motivo se requiere de estudios para determinarlos, pues tiempos inadecuados originarían desde simples dolores de cabeza, hastagravesenfermedadesquepondríanenpeligrolavidade lapersona. Cuando setrata con la rezaga u otros materiales, lostiempos referidos deben ser lo más cortos posible paraacelerarelciclodeexcavación. Lacompresión o descompresión tanto de personal comode materiales se lleva acabo en lasesclusas correspondientes, lascualesfuncionan delamisma maneray conforme alos siguientespasos: Sisedesea llegaralacámaradetrabajo: a) Seentraalaesclusaysecierralacompuerta. b) Se comienza a presurizar la esclusa hasta que se nivela a la presión del frente de ataque. c) Igualadas las presiones se puede abrir la compuerta que permite el acceso a la zona de excavación. La compuerta queda prácticamente imposibilitada para abrirse, ya que lapresiónaplicada alaesclusanolopermite.
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Sisedeseasalirdelacámaradetrabajo: a) Seentraalaesclusa porlapuerta posteriorysecierraésta. b) Se descomprime la esclusa conforme a los intervalos de tiempo, calculados previamente. Ladescompresión selograabriendo laválvuladeescape. c) Lograda la descompresión total, se puede abrir la compuerta, para pasar a la zona de airelibre.
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CAPITULO Vil ADEMEOSOPORTETEMPORAL 7.0 ANTECEDENTES. Al construir un túnel, la etapa de excavación requiere de una actividad simultánea a su ejecución lacualconsisteensoportar adecuadamente cadatramo excavado deacuerdoa unalongitudestablecida. Laselección del sistema desoportetemporal va ligada alosestudios previos realizadosy altipodematerial por excavar. Dichos estudios, si bien dan una ideageneral sobre los materiales sujetos a ellos y de su acomodo estratigrafía», nosontodo lo preciso quefuera de desearse dado que a lo largo del trazo del túnel estas características son cambiantes, y aunque setenga una cantidad suficiente de pruebas y estudios resulta difícil acertar en primera instancia sobre el comportamiento deltúnelenelprocesodeexcavación. Se mencionan algunas de lasteorías paraevaluar losesfuerzos y deformaciones que una excavaciónvaasoportar: a ) Métodosempíricos: Estos hacen acopio de lasexperiencias obtenidas en casos particulares. Una de estas es la teoría de Terzaghi que sugiere una transmisión de la carga de la roca a los soportes definiendo como "Carga de Roca" al paso de la masa que tiende a desprenderse del techodeltúnelydebesersoportadaporelademe.
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b )Métodos isostáticos; Consisten en establecer ciertos límites de equilibrio de acuerdo con una definición de planosdedeslizamiento delaroca. Bierbaumer define la carga que actúa sobre el ademe con algunas condiciones de la geometría de lasecciónyelequilibriode lasmasasdelaroca. Estos métodos consideran solo losparámetros tales como peso propio, ángulo de fricción interna y en algunos casos la cohesión, dejando a un lado las deformaciones, por lo que nosegarantiza lacompatibilidad delasdeformaciones delarocaconlasdelsoporte. c ) Métodos elásticos: Debido a que no se aseguraba la compatibilidad de las deformaciones roca-soporte, se han desarrollado métodos basados en la elasticidad clásica calculando un círculo de dimensiones infinitas atravesado por la sección de la excavación. En estos métodos se respetan las condiciones de deformación de la masa de roca pero no se asegura su compatibilidad conlasdelademe. d) Métodoselasto-plásticos : Con el auxilio de lascomputadoras, muchos investigadores han realizado cálculos elastoplásticos en un plano perpendicular al plano del túnel pero aun sin poder resolver el problema hiperestático. e)Teoríadelaslíneascaracterísticas: De todos los métodos anteriores brevemente descritos se desprende que el problema estáticamente indeterminado del soporte de la galería consiste en hacer coincidir las deformaciones delarocaconlasdelademe.
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"ElDoctor G.Lombard¡haceelsiguienteplanteamiento: Se tiene un cilindro de dimensiones infinitas obtenido por la masa de la roca atravesada porlaexcavaciónysujetoalaspresionesdelterreno. Sesuponequeelhuecodelaexcavaciónestallenodeaguaaunapresiónqueequivale al estado naturalde lassolicitaciones. Si la presión se reduce poco a poco, las paredes del orificio iniciaran un movimiento convergente hacia la parte inferior de la excavación que ira aumentando en proporción directa a la disminución de presión,en principio, este movimiento estará dentro del rango elástico de la roca y conforme vaya decreciendo la presión entrará aunazona plástica en laqueseperderálaproporcionalidad entrepresióndeformación. La incógnita fundamental es la deformación inicial ya que el momento y el lugar de la colocación del ademe sondevital importancia, pues conforme elfrente va desplazándose elestado deesfuerzos seconvierte detridimensional enbidimensional,y lasolicitación de la deformación del ademe es mayor en la cercanía delfrente que en donde ya ha pasado laexcavacióncon anterioridad,debidoaquelasdeformacionesyasehanllevadoacabo. Cabe aclarar que a la vista de las teorías antes expuestas, no se puede dar una receta previa para lacolocación delademeesperandoqueestaseaacertada en un 100%debido a las incógnitas mencionadas, portanto,el ingeniero que esta alfrente de la construcción del túnel debe observar el comportamiento de los ademes que se han colocado y así proponer las alternativas para el caso concreto, apoyándose en sus conocimientos y experiencias y por las medidas que se realicen sobre la excavación tratándose como un laboratorio,etc.
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7.1FORMASDEPRESIÓNENLOSTÚNELES: Para comprender los mecanismos de presión circundante en túneles, es conveniente imaginar que a cualquier profundidad, en donde se excavará un túnel,existe el equilibrio antes de efectuar la excavación. Cuando esta se abra, el estado de esfuerzos y deformaciones cambiará consecuentemente ytodos loselementosen lacercaníadeltúnel se tendrán que adaptar a su nuevo estado de esfuerzos. La presión circundante en un túnel se ha dividido convencionalmente en tres formas: la debida al peso de la masa de roca(presióndeaflojamiento ), ladebida alosesfuerzos existentesenelmedio ( presión realdelamontaña ),y ladebidaalaexpansióndeciertostiposderocasosuelos. Los dos primeros mecanismos son esencialmente uno solo, pero se han separado para enfatizar lainfluenciadealgunosfactores. El tercer mecanismo se presenta exclusivamente en ciertos suelos o en rocas cuyas fisurasestánrellenas porsuelosexpansivos. La determinación de la presión de rocas es uno de los problemas más complejos de la ingeniería. Estacomplejidad esdebida,nosoloaladificultad inherente alconocimiento de lascondiciones deesfuerzosenelinteriorde unamasaderoca,sinotambiénalhechode las propiedades esfuerzo-deformación, como la magnitud de las presiones que se desarrollan alrededor de la cavidad,están gobernadas por una variedad defactores tales como: • Elestado inicialdeesfuerzosenlaroca. • Eltamañodelacavidad. • Elmétododelaexcavación. • Larigidezdelsoporte. • Elperíododuranteelcuallacavidadhapermanecidosinsoporte.
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7.1.1
PRESIÓNDEROCA DEBIDAAAFLOJAMIENTO :
Eneste caso, lapresión de rocapuedeser entendida comoelpeso de una masa de roca de cierta alturaque gravita principalmente sobre la clave deltúnel,esta masa si se dejara sin soporte caería gradualmente dentro del túnel. En la práctica, se considera que mientras másrápido secoloque elsoportetemporal,losdesprendimientos serán menores ( Figura7.1 ). Las razones por la que ocurre el aflojamiento de la roca son muy diversas, siendo las principales : El empleo de explosivos durante la excavación, y los esfuerzos de tensión queseoriginan porefectode laflexiónen laclavedeltúnel. Elmecanismo se presenta a cualquier profundidad en que se excave el túnel y de la calidad de la roca, es decir, se presenta encualquiertipoderoca. 7.1.2 PRESIÓN REALDEMONTAÑA: Ésta presión se origina por estado de esfuerzos que se crea al abrir una cavidad. El estado de esfuerzos que se genera es debido a una combinación de los dos factores siguientes: Una posible resistencia insuficiente de la roca con relación a los esfuerzos actuales en la periferiadeltúnelyensegundolugar,elestado inicialdeesfuerzos delmacizorocoso. Loanteriorsepuededescribirdelaformasiguiente: Antes de la excavación los elementos de roca adyacentes al túnel, se encuentran en equilibrio, al excavarse el túnel se rompe su equilibrio y como consecuencia ocurren deformaciones y cambios en su estado de esfuerzos original.Si la resistencia de la roca essuficiente elequilibriose mantiene,por elcontrario si laresistencia es insuficiente para elestado deesfuerzos generadopor laexcavación,entonces habrá una redistribución de esfuerzos que provocará nuevas deformaciones; Este proceso se repetirá sucesivamente hastaquesealcanceelequilibrio.
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Ocurreconfrecuencia queesteproceso esdiferido eneltiempo debido alas propiedades de la roca lo cual puede traer como consecuencia que la excavación se cierre gradualmente a medida que pasa eltiempo, sin embargo en lageneralidad de los casos, se generará una zona adyacente a la excavación con un estado de esfuerzos que es congruente con su resistencia, aunqueeltiempo requerido para alcanzar el equilibrio final puedeser muylargo. Considerando exclusivamente el proceso anterior, puede llegarse a la conclusión de que mientras más tiempo tarde en colocarse el revestimiento, más grande será la zona con esfuerzos redistribuidos congruentes con la resistencia limitada de la roca y por lotanto, será menor la presión de roca que tenga que soportar el revestimiento. Sin embargo, no debeperdersedevistadosaspectos: a)Lasdeformaciones necesarias paraquesealcanceelequilibrio puedenserexcesivas, b ) A medida que pasa el tiempo, el mecanismo de aflojamiento empieza a tener importancia ypuedenproducirse inclusivecaídosdeimportancia dentrodeltúnel. Vale la pena mencionar que la ocurrencia del mecanismo de presión esta regida por las características de resistencia de la roca, por la profundidad de la excavación, y por los esfuerzos tectónicos presentes en la masa de roca. De esta forma, una roca muy resistente puede generar presión real de montaña a una profundidad de mas de 1,000 metrosynopresentarlaaunaprofundidadde200metros.
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7.1.3 PRESIÓNDEHINCHAZÓN : Estemecanismo ocurreensuelosarcillososyenrocasblandasorocasquetenganfisuras rellenas de suelos arcillosos,y la relajación deesfuerzos que ocurren en las cercanías de la excavación promueve cambios de volumen en las rocas y suelos. Tales cambios de volumen pueden ser suficientemente grandes como para generar presiones de roca inclusive mayores que la presión geostatica (presión vertical a una profundidad de la debida alpeso propiodelaroca). 7.1.4 DETERMINACIÓN DELA PRESIÓN DELA ROCA : Es la presión que actúa sobre la clave del túnel. Se han desarrollado varias teorías para calcular la presión de roca en el ademe del túnel. En estas teorías, se distinguen dos tendencias, una quetoma en cuenta elefectode la profundidad deltúnely otra considera lapresión independientede laprofundidad. Entrelasteoría quetomanencuentalaprofundidad,seencuentran lade Bierbaumer, yde Terzaghi. Todas suponen quelapresiónde rocaes igual alapresión necesaria para queel material alrededor y arriba del túnel se encuentre en equilibrio, considerando que su peso es tomado por laresistenciadela rocamediante mecanismossimilaresalosdearqueo. Lasteorías que notomanen cuentaelefectode laprofundidad se refieren esencialmente a ladeterminación delapresióndeaflojamiento.
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7.1.5. PRESIÓN LATERAL : La presión lateral es el empuje horizontal de la roca debido a las cargas verticales actuando en laszonas adyacentes deltúnelyaladeformación quetenga el revestimiento ( Figura 7.2). El primer concepto que se maneja es el siguiente :Debido a la presión vertical actuando sobreAB se genera una presión horizontal sobre BEy la relación entre ellos corresponde a unestado activo deesfuerzos oaunestado de reposo. Entonces conociendo la presión vertical actuando sobre AB se puede calcular la presión en BE aplicando las teorías de empujedetierras. El otro concepto que se maneja es que la presión lateral dependerá de los movimientos quetengael revestimiento. Se presentarán desplazamientos haciafuera porefecto de lapresión de roca actuando en la clave lo cual llevara a la roca de un estado activo a un estado pasivo, es decir, la frontera BE tendera a moverse hacia fuera del túnel. Lo anterior, hará que la presión lateralseincremente, haciendo másfavorables lacondicióndetrabajodelademe. 7.1.6 PRESIÓN DEFONDO : Seentiende como presióndefondo,alaquetiendeaejercer elfondodelaexcavación por efectode lapresiónvertical,actuandoenlazonaadyacentealtúnel(Figura 7.3). Como puede observarse, el problema de determinar la presión en el fondo se puede asemejarentonces aunodecapacidaddecarga. En forma alternativa, Terzaghi analiza el problema de la estabilidad de fondo de túnel como una falla de fondo en excavaciones profundas y así, se determina el factor de seguridad contra el bufamiento del fondo, en el caso de no existir la cubierta del revestimiento. En la practica el problema de presión de fondo se presenta exclusivamente en suelos sueltosyespecíficamenteenarcillas plásticassaturadas.{Figura 7.4).
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7.2 . PRINCIPALES TIPOS DEADEME : 7.2.1 MARCOS METÁLICOS : El perfil estructural seleccionado para el ademe metálico debe ser habilitado de acuerdo conlageometríade lasección;Comúnmente esta habilitaciónserealiza con roladora para evitar cristalizaciones producidas por calentamientos que afectarían el comportamiento estructuraldelelemento. Para facilitar su colocación el marco cuenta con varias secciones, es decir no se coloca todo alavezsinoquesearmaparteporparte,como casocomúnse puededistribuirentre el grupo construido por la media sección superior formado por la semiclave y el grupo de lamediaseccióninferior formado porlospostes. Cuando el procedimiento constructivo indica la colocación de marcos, la excavación se llevaporlogeneralamediasecciónybanqueo,sobretodocuandoel material por excavar esta constituido porfinos.
MARCOSMETÁLICOSCIRCULARES.
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Deeste modoelataquede la mediasecciónsuperior seva realizando ydeser necesario, se coloca madera apoyada sobreel marco anterior. Posteriormente se colocan las rastras apoyadas en el banqueo, y es entonces cuando sé verifica la topografía del túnel. Alineadas lasrastras,secolocanlassemiclavessobreellas. Las rastras colocadas deben ir soldadas a las inmediatas anteriores, y las semiclaves deben soldarse a las rastras recién colocadas. La unión entre ambas semiclaves es el siguiente paso. Esta se lleva a cabo atornillando las placas de los extremos de cada una deellasysoldando launióndedichasplacas. Posteriormente seexcava la media sección inferior y se colocan los postes debajo de las semiclaves correspondientes,soldándosealarastraenlospuntosdeapoyo. Para garantizar eltrabajo enconjunto detodos los marcos,enelalma de perfil estructural se hacen barrenaciones con el objeto que a través de ellas se introduzcan varillas habilitadas con unacabezadelapropiavarillayunbirloenelextremoopuesto. A este birlo se leatornilla unatuercaydeestemodo lasvarillas trabajan atensión,por lo cualselesdenomina"tensores". Los esfuerzos de compresión son trasmitidos del marco a polines de madera colocados sobre lostensores cortados de acuerdo con la separación entre los marcos. Estas piezas seconocencomoseparadores. Las rastrasestán construidas por una odosviguetas soldadas alpatín.Paraelapoyo de los postes contra el piso de la excavación se utiliza generalmente madera con el fin de evitar corrimientos al colocar el poste, este apoyo por lo general esta formado por dos piezas de madera fijadas y clavadas, y en algunos casos se cuela una plantilla de concretoounaguarnición. Si se requiere realizar obras para el desalojo de agua a causa de filtraciones, estas se haránaparteparaevitar latransportación desuelosylosmarcospierdan suapoyo.
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7.2.2 CONCRETO LANZADO : El concreto lanzado, consiste en colocar concreto a presión sobre el contorno de la excavación, formando un espesor suficiente para que actúe como cascaron que soporte losesfuerzosproducidos por laexcavación,teniendoapartelaventaja deserdeformablee indicarfallas conlaanticipación necesariaparatomar lasmedidas pertinentes. Esta tecnología de origen europeo ha evolucionado sorprendentemente en los ultimas añosdebidoalafacilidaddesuaplicación,ysuversatilidaddeutilización. Existendostiposdeprocedimientos decolocacióndelconcreto lanzado: • MezclaSeca. • Mezcla Húmeda. El procedimiento de mezcla seca consiste en dosificar una mezcla de agregados y cemento en la proporción requerida por la resistencia del proyecto, a una máquina lanzadora que lo suministrara a presión por una manguera que conduce la mezcla seca a unaboquilla. Enestelugarseincorporaelaguay lamezclaseproyecta sobrelasuperficie acubrir. El concreto colocado adquiere, debido a la presión una compactación muy buena y no requiere de vibrado para su acomodo. Su revenimiento es de cero, en virtud de que la relaciónagua-cemento esbaja. El método por sus ventajas que ofrece para la fabricación y colocación del concreto lanzadoesélmasdifundidoenlaactualidad. Elprocedimiento demezcla húmedaconsisteenlafabricación delconcretoysubombeoa presión ya incluida elagua hacia lasuperficie aproteger. Este método tiene la desventaja de que pueden ocasionar segregaciones en el concreto y su compactación inicial es menorqueenlamezclaseca. El concreto lanzado se distingue del concreto común únicamente en su aplicación. El comportamientoestructuraldeambosesidéntico.
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Para las excavaciones subterráneas el concreto lanzado ha venido a simplificar el problema que significa su soporte ya que es muy sencillo colocarlo y es adaptable a cualquier geometría sin necesidad de usar cimbras o artefactos que requieran mucha manodeobra. Elconcreto lanzado como soporte detúneles se usaformando un cascaron o membrana estructural que recibe losesfuerzosdecompresión propiciados por elempuje de la rocaa laexcavación. Por su facilidad de aplicación el concreto lanzado puede colocarse de tal manera que auxilie aotrossistemasdesoporteosisecolocaenespesores pequeñosayuda aevitar el intemperismo de losmateriales. El concreto lanzado se aplica por lo general con aditivos acelerantes para que vaya adquiriendo resistenciaenellapsomáscortoposible. Para absorber los esfuerzos de tensión producidos por la elevación de temperatura cuando el concreto lanzado esta en la fase del fraguado inicial se coloca una malla electrosoldada conunrecubrimiento libredeterminadoenlasparedesyclavedeltúnel. Puede colocarse también una malla mas cerrada cuando el material es poco cohesivo y resiste con alguna dificultad la presión del lanzado. En este caso, la malla asume funciones de retener ligeramente al suelo cuando se efectúa el lanzado. Se ha utilizado paraestosfinesconbuenos resultados malladegallinero. Cuando el concreto lanzado es usado como revestimiento definitivo puede ser aplicado sobre refuerzo estructural de varillas de acero, con el condicionante de que el rebote puedeaumentar siellanzador nocuentaconlaexperiencia necesaria.
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7.2.3 CONCRETO LANZADOCOMBINADOCONMARCOS METÁLICOS :
LANZADODECONCRETOENTREMARCOSMETÁLICOS Cuando se abre untúnel, la presión a la que actúa en la excavación es la atmosférica y esto puede ocasionar que el material se intemperice, si a esto seañade que el suelosea poco cohesivo, después de un tiempo de excavado y ademado con marcos metálicos se puede presentar elfenómeno que por perdida de humedad y contacto con aire fresco, el materialtiendaadesprenderseporenmediodela maderaderetaque.
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Conviene en estas circunstancias lanzar una capa de concreto que detenga los efectos antes mencionados, protegiendo así a la estructura del material, previniendo que se tengansobreexcavaciones yacomodosdelacapasuperiordeltúnel. Se presenta otro caso en el que es necesario lanzar concreto sobre los marcos y es cuando losempujes delterreno sobre elademe metálico tiende a producir deformaciones excesivas e incluso el cerramiento del túnel. En este caso conviene lanzar un espesor suficiente y formar una especie de bóveda entre marco y marco, para que el concreto lanzado auxilie alsoportemetálicoen laresistencia delosesfuerzos decompresión. 7.2.4 ANCLAS: Estetipo de ademe se ha popularizado en los últimos añosen rocas relativamente sanas, yelprincipiofundamentaldehacerunaestructura desoporteabasedeanclas paraquela rocaséautosoporte. Para logrardichoobjetivo hayquecolocar lasanclas lo más cercano al frente posible para que formen parte de las deformaciones y esfuerzos que produjo la excavación. Existen,básicamente,dostiposdeanclas,detensiónyfricción. 7.2.4.1
ANCLAS DETENSIÓN :
Este tipo de anclas consiste en una varilla con una concha expansiva en un extremo y cuerdaenelotro,siendosuprocedimiento decolocacióncomosigue: Se barrena la longitud deseada, posteriormente se introduce el ancla y la concha expansiva sujetándose alaroca,enelextremosalientedelanclasecoloca unaplacayse atornilla alatuerca. Conélaprieteenlatuercaseinduceunapretensión alancla,mismoquesetransmite ala roca como pre-compresion. De este modo un conjunto de anclas estratégicamente colocadas, provocan enla excavación esfuerzos decompresión que desarrollan un efecto dearqueo enelperímetrodelaexcavación.
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El uso de las anclas de tensión se recomienda para túneles construidos a través de roca fracturada, en donde sedebe proteger la excavación de desprendimientos de bloques de roca,sirviendo enanclajecomounacosturaentrebloques. 7.2.4.2 ANCLAS DEFRICCIÓN : Las anclas de fricción son anclas alojadas en barrenos cementados o inyectados y funcionanabasedelaadherencia mortero-pared debarrenoy mortero-anclas. La colocación de las anclas de fricción consiste en las operaciones de barrenacion, la colocación del ancla, generalmente construidas por varillas de acero corrugadas e inyección apresióndeunalechadadecemento. El soporte de la excavación se aplica como un acuñamiento entre bloques anclados conforme a la excavación, deformándose en convergencia hacia el interior del túnel. El terreno carga sobre la excavación y si está provista de anclas de fricción, las anclas se aprietanformandobloqueautosoportables dematerial. 7.2.4.3
COMBINACIÓN DEANCLASCONCONCRETO LANZADO :
Si se han colocado anclas de fricción, resulta conveniente lanzar concreto en la sección anclada con lafinalidaddequeconstituyaunapoyoalasanclas. Esta combinación es muy eficiente pues de este modo las anclas trabajan como vigas simplemente apoyadas y además de proporcionar acuñamientos por la fricción que se desarrolla, se da un apoyo resistente para detener desprendimientos ocasionales que se lleganaproducir por laintemperízaciondelmaterial.
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CAPITULOVIII REVESTIMIENTO DEFINITIVO DECONCRETO ENTÚNELES: 8.0 ANTECEDENTES : Elrevestimiento definitivodeconcretoenuntúnelcumplecondosfunciones: a)Soportar lascargasparaquelaestructurafuncioneenformadefinitiva, b )Proporcionar elgálibodeproyecto paraelquefuediseñado. El revestimiento se coloca en la mayoría de los casos después de haber terminado la excavación, también pueden existir condiciones de excavación de túneles en las que se hace necesario colocar el revestimiento definitivo de concreto simultáneamente con la excavación, ya sea en cada ciclo o a una distancia de tal manera que sean simultáneas lasactividades deexcavaciónycolado. Deacuerdoaloanterior podemosdividir losprocedimientos en: a )Revestimiento deconcretodurantelaexcavación,efectuándolo inmediatamente despuésdecadacicloyenlazonareciénexcavada. b ) Revestimiento deconcretodurante laexcavaciónefectuándolo aunadistanciadel frente,demaneraque lasactividadesconcreto-excavación noseinterfieran. c )Revestimiento deconcretodespuésdehaberseefectuadolaexcavación entodala longituddeltúnel.
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Estostres procedimientos hanllegadoaldiseñodedostipos principalesdecimbraque son: 1.- Cimbraestacionaria. 2.-Cimbras deslizantes. Sedebemencionarquetambiénelrevestimiento definitivoenocasiones seefectúa por mediodeconcreto lanzado,sobretodoenzonasdetúnelesenquesetienen secciones variablesyqueresultarlaantieconómicofabricar unacimbramonolítica paraesazona. Lascimbras paraelrevestimiento detúnelsefabricandeacuerdo alasnecesidades yya seanestacionarias odeslizantespuedendiseñarse paracolartoda laseccióno,paracolar partedelasección,generalmente bóvedayparedes paradespués realizar elcoladode plantilla olosadefondo. Entre losprincipalesfactoresquepermitenelegireltipodecimbra masadecuado, mencionamos lossiguientes: • Seccióndetúnel. • Longituddetúnel. • Costodelequipo. • Programadetrabajo(velocidaddecolado). 8.1CIMBRA ESTACIONARIA : Las cimbras, para el revestimiento de túnel generalmente son metálicas, formadas por secciones de 1.00 a 15.00 metros de ancho, unidas, entre sí en sentido longitudinal por tornillos yarticuladas en2o3puntosformandochamelas,quepermiten reducir la sección para podersertransportadas hacialadireccióndelcolado.
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Enel casode lascimbras estacionarías, estassecciones de 1.00 a 1.50 metros deancho, seunen hastaformar longitudesquepuedenvariardesde 1.00 metros hasta 30.00 o40.00 metros de longitud.Además, se deberá contar con un mecanismo de gatos hidráulicos o mecánicosquepermitancerrar laseccióndelacimbra haciéndolagirarenlascharnelas. Otro elemento indispensable es una estructura de carga de la cimbra que tendrá libertad demovimiento longitudinal paratransportar lacimbra. Este movimiento puede ser realizado sobre llantas de hule que corren en una plantilla de concreto previamentefabricadaosobreruedasdeaceroquecorrensobrevía. El carro transportador de cimbras monolíticas, cuando se trata de excavación y revestimiento simultáneos, deberá permitir el paso del equipo para la excavación del frente. El ciclo de colado incluye generalmente las siguientes actividades, cuya duración dependerá delosvolúmenesdeaceroderefuerzoyconcreto porcolar: 1.- Colocación del acero de refuerzo en la zona por colar. Esta actividad puede ser simultánea conlacolocacióndelconcreto. 2.- Movimiento de la cimbra a la zona por colar, incluyendo alineación y nivelación de la misma. 3.-Colocación delconcreto alrededor delacimbra. Seutilizanvibradores, para la correcta compactación delconcreto. 4.- Tiempo de fraguado. Este tiempo queda especificado de acuerdo al diseño del concretoypuedeserde4a 10horas. 5.- Descimbrado. Seefectúa después deltiempo defraguado, recogiendo los émbolos de losgatos para iniciarelmovimientoalasiguientezonadecolado.
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En túneles grandes, el revestimiento por cimbra estacionaría es efectuado por partes, colando primero guarniciones donde se apoyan los rieles donde corren el transportador quemueve lacimbra,segundo lasparedesybóvedasdelasección,ypor último lalosade fondo. Acontinuación secitanlasactividades paraelcaso anterior: 1.-Armadodelfierroderefuerzoenguarniciones. 2.- Cimbradode lasguarniciones. 3.-Colado de lasguarniciones. 4.-Tiempodefraguadodelasguarniciones. 5.-Armadodelfierroderefuerzo enbóvedayparedes. 6.-Movimiento delacimbraenzonadecolado. 7.-Coladodeparedesybóveda. 8.-Tiempodefraguado. 9.-Descimbrado. Lasactividades 1,2,y3puedensersimultáneasconlasactividades4a9. 8.2 CIMBRA DESLIZANTE : En cuanto a las cimbras deslizantes, se puede decir que están compuestas de varias cimbrasestacionarias,llamado móduloacada unodeestossegmentos. El transportador de los módulos corre dentro de la misma cimbra, para lo cual se encuentran rieles soldados a la misma. El número de módulos que componen estas cimbrasyquepermiten unacolocacióncontinua deconcretodependede:
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• Volumendeconcreto pormetrolineal. • Tiempodefraguado. • Capacidaddecolocacióndelconcreto( bomba). • Ángulode reposodelconcreto. • Longituddecadamódulo. Estascimbrasdeberán contarcon: • Instalacióneléctrica (alumbrado yalimentacióndemotores ). • Instalación neumática(vibradores). • Instalación hidráulica (agua para limpieza). El concreto que servirá como revestimiento definitivo es diseñado de acuerdo a los esfuerzosalosqueestará sometidoéltúnel. Este concreto generalmente es fabricado fuera deltúnel ya sea por medio de planta ode plantas de concreto propias de la obra, o suministrado por ollas revolvedoras que lo acarreandesde lasplantasdeconcretoexternas alaobra. Enocasiones y cuando es posible, la misma obra podrá explotar algún banco cercano de rocaytriturar susagregados. El cemento utilizado cuando es para revestimiento de un túnel que conducirá agua, se especifica paraevitar laaccióndelossulfatas (túneles paradrenajeypara conducciónde agua potable). El concreto una vez fabricado y teniéndolo a la entrada del túnel o en la boca de la lumbrera, deberá ser transportado al frente de trabajo, por medio de una o más bombas que losuministraran hastaelfrentedetrabajo. La compactación es efectuada por mediodevibradores pegados a la cimbra llamados de pared o de contacto, y por vibradores de inmersión que se introduce en el concreto a travésdeventanasestratégicamente colocadas.
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Paracadaciclodecoladosedeberátenerencuentalassiguientes actividades: 1.- Fabricación delconcreto. 2.-Cargadelconcretodelaplanta alosvehículosdeacarreo. 3.-Acarreodelconcretohastalabomba. 4.- Bombeodeconcreto. 5.- Movimientode lacimbra. Las actividades anteriores quecomponen elciclode colado nos lleva atener balanceadas capacidades y rendimientos, de tal manera, que la producción de la planta de concreto deberá estar acorde con el rendimiento de carga y acarreo, rendimiento de bombeo y velocidaddemovimientodecimbra. Para cumplir con lo anterior, se requiere del equipo adecuado para cada una de las actividades: • Plantaoplantasdeconcreto (fabricación). • Acarreo delconcreto de la planta a la bomba ( ollas mezcladoras, camiones devolteo, vagonetas,carros agitadores). • Bombao bombasdeconcreto. • Cimbra.
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Ademásexisteequipoauxiliarcomoson: • Bandastransportadoras. • Tolva receptora. • Estructuras parasujecióndelastuberíasdebombeo. • Cambiosdevía,etc. 8.3 FABRICACIÓN DECONCRETO. Para la fabricación del concreto, en los túneles que constituyen el.Acuaférico, se tenia instalada laplanta enelportaldeacceso, siendo estadelamarca ELBA con capacidad para 30 m3/hr, la cual dosifica los materiales con básculas y mezclado de los agregados en unabacha concapacidad de0.5 m3,misma que cuenta con undispositivo de ascenso y descenso para el vaciado en la tolva de almacenaje de 7 m3, sitio desde donde son cargados los carros transportadores de concreto adecuados para las dimensiones de los túneles (carros moran). 8.4TRANSPORTE DECONCRETO HASTA ELFRENTE DECOLADO. El acarreo del concreto durante el recorrido del túnel es mediante los carros transportadores de concreto ( carros moran ), los cuales tienen una capacidad de 6 m3 aproximadamente, el sistema motriz para llevar los carros transportadores es mediante locomotorasdemotordiesel, losrodamientos sedeslizan atravésdelavíaqueseinstalan sobre lasdovelasdepiso.
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8.5 TRANSPORTE DE CONCRETO HASTA LA CIMBRA METÁLICA EN EL ACUAFERICO PERIMETRAL. Al arribar los carros moran al cambio "California" móvil perteneciente al tren de instalaciones y con el arreglo de cambios de vía en los extremos, se realiza la maniobra para el cambio de posición de la locomotora, puesto que por seguridad durante el recorrido através deltúnelel carro moran siempre esjalado y para realizar el vaciado de concretoéstedebequedar alfrente,unavezenposicióndevaciadose realiza la conexión a la terminal eléctrica para iniciar el proceso de remezclado haciendo girar en ambos sentidos el cilindro del carro transportador, continuando con el vaciado gradual del concreto a la tolva receptora con capacidad para 3.0 m3,en la base de esta tolva existe una canaleta donde se aloja una espiral sinfín para transportar la mezcla a una pequeña banda ascendente, que en su extremo lo deposita en la tolva de la bomba eléctrica Putzmeister TTS 2045 E con capacidad de 30m3/hrypotencia de 50 HP ejercido por un motor BALDOR Mod.CM4115T,consalidade 5pulgadas, através detubería del mismo diámetroelconcretoesconducido hastaeldispositivodetubería plegable perteneciente al carro colocador deconcreto (snorkel),elquefinalmente lodeposita enelespacio entreel terreno o soporte primario y la cimbra metálica através de la conexión del brazo giratorio hacia lasboquillas de la cimbra.Cuandoelconcreto seencuentra en latolva receptora es constantemente removido por undispositivo de aspas mezcladoras, acción que se puede complementar conelgiroinversodelespiralsinfíndelatolva receptora.
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8.6COLOCACIÓNDELCONCRETO. Depositado el concreto en el espacio anular comprendido entre el terreno natural y la cimbra metálica, la mezcla fluida vacorriendo con suángulo de reposo y acomodado con ayuda de dos vibradores de inmersión y vibradores de pared estratégicamente colocados en las bases que tiene la cimbra en su interior para tal fin; el dispositivo de tubería plegable yel snorkeltiene lafunción dedeslizarse en los rielesde la cimbra para cambiar de posición la boquilla giratoria de modo que se pueda vertir el concreto en cualquiera de las boquillas de lacimbra,con lafinalidad defacilitar yoptimizar elvaciado, es decir en la cubeta,partemediaoenlaclavedelamisma. 8.7 MANIOBRA DEDESMOLDEYCORRIMIENTO DELA CIMBRA : Seis horas después de terminado el colado y preparada la siguiente zona a colar, donde se considera limpieza general, picado de dovelas en las dos caras de contacto con el concreto nuevo, picado de la cara extrema del colado inmediato anterior y armado de acero derefuerzo;efectuadoestoseprocede aldesmoldeycorrimiento de losmódulosde la cimbra; para facilitar el desmolde y sutransporte con lagrúa viajera "jumbo", la cimbra se puededesacoplar ensentido longitudinal enunarco inferior plegable en"V"(cubeta)y en un arco superior con movimiento de bisagras (concha) dando origen a tres partes rígidas,unasuperiorydoslaterales;demaneraquelacubetaesizadaconel balancín por la partecentralylaconchasedescansa sobreeljumbo,elquepordispositivos hidráulicos recorre sobre los rieles hasta posesionar el módulo con intervención topográfica para nivelarycentrar cadamolde.
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8.8CURADODECONCRETOYCORRECCIÓNDEACABADOS: Cuando se ha procedido al desmolde y de manera inmediata, se aplica una película de curacreto rojo en toda la superficie del concreto aún fresco, con la finalidad de evitar la pérdida de humedad y en consecuencia evitar la formación de fisuras por temperatura, además de optimizar su proceso de fraguado para dar la resistencia de proyecto y diseño de la mezcla. Respecto al acabado del revestimiento definitivo, se realiza para retirar el papel y madera del calafateo, se desvanecen escalonamientos, se abren cajas para retirar material poroso porfalta dellenado yseprocede aresanar concementotipo II mezclado con arena, estabilizador de volumen y aditivo grout, agua y aditivo para pegar concretos nuevoconviejo (adesil1000).
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CAPITULO IX INYECCIONES 9.0 ANTECEDENTES : Entre las actividades auxiliares en la construcción de túneles, se encuentran los tratamientos a base de inyección de mezclas a presión por medio de perforaciones realizadas paraesteefecto. Estostratamientos deacuerdoasuobjetivo seclasificanen: 1.- Inyecciones deimpermeabilización. 2.- Inyecciones deconsolidación. 3.-Inyecciones derellenoenzonasdederrumbe uoquedades. 4.- Inyeccionesdecontacto. 9.1 INYECCIÓN DEIMPERMEABILIZACIÓN : Este tratamiento se aplica en túneles con filtraciones de agua permitiendo obtener un menor costo del bombeo a superficie, al reducir el caudal aportado al interior de la estructura. Enocasiones la inyección se realiza previo a la excavación, siempre y cuando se cuente con datos suficientes que garanticen un sellado definitivo y que permita un avance continuoenlazonatratada. Selleganaobtener presionesde inyectadodeiordende20 Kg/cnf
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El procedimiento consiste en la perforación de barrenos con profundidad suficiente para alcanzar la grieta aportadora de gasto. Posteriormente se inyecta uno a uno los barrenos hasta lograr la presión indicada. El espaciamiento de los barrenos, diámetro, se determinancon unestudiogeológicoprevio. Unavezterminado eltratamiento sécontinuacon laexcavación. 9.2 INYECCIONES DECONSOLIDACIÓN : Estas se aplican en los frentes de excavación con el fin de aumentar la resistencia del material cuando se tiene el temor de que este, al excavarse, no tenga autosoporte, o en casode haberocurrido underrumbe,consolidarelmaterialfallado ypodercontinuar conel avancedelaexcavación. El procedimiento consiste en colocar un revestimiento primario de concreto en él frente a tratar, que sirve como respaldo a la inyección, a través de este revestimiento se dejan boquillas porlasqueseinyectalamezclaqueactuaracomoconsolidante. 9.3 INYECCIÓN DECONTACTO : Esta actividad se encuentra especificada para toda obra de túnel revestido de concreto y su función es la de llenar los huecos dejados entre el revestimiento definitivo y la excavación, con loque seevitan deformaciones delterreno y concentraciones del propio revestimiento. Estainyección serealiza entresetapasdeacuerdoalascondiciones siguientes: 1.- Vacíos devarios centímetros yaun decímetros de altura en la clavedel túnel,que se rellenaran básicamente en la primera etapa de la inyección y cuando el concreto del revestimiento definitivocumplecon 14díasdeedad.
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2.-Vacíos conespesor de uncentímetro omenos cuando lainyección de laprimera etapa cumple 14díasdeedad. 3.- Inyección deldrenyzonadecubeta cuando la primera etapa cumple 14días deedad, por loquesepuedeejecutar simultáneamente la2aetapa. PRIMERA ETAPA : Lainyecciónsellevaacaboatravésdebarrenosperforadosde 5centímetros dediámetro a cada 8 metros,distribuidos en aureolas alternadas a lo largodeltramo por inyectar. Los barrenosdeambas aureolasqueatraviesanelconcreto deben penetrar 10centímetros en elterreno. El orden de inyectado se realiza inyectando con el barreno de más bajo nivel, utilizando losaltoscomotestigos. Presiónmáximadeinyectado4Kg/cm2. SEGUNDA ETAPA: Se lleva acabo en secciones de un solo barreno espaciadas 8 metros y localizadas entre seccionespareseimpares. Lasecuencia eslasiguiente: 1.- Seperforantodos losbarrenos. 2.- Seemboquillan y colocan válvulas en los barrenos de las cuatro secciones delantede laqueséestainyectando. 3.-Seinyectaelprimerbarreno.
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4.- Al sellar el barreno anterior sé continua la inyección en la sección siguiente, así sucesivamente hastaterminareltramo. TERCERA ETAPA : a ) Cubeta :EIvolumen de absorción es mínimo y el criterio usado es el señalado para la segundaetapa. b ) Drenes :Sefijansecciones acada 16metros,con unsolo barreno intermedio a losde cubeta. Enestecasoseutilizan20mezclas densas porcada2mezclas detipofluido, repitiendo el proceso hastasellar losbarrenos. Otra variante de inyección de contacto es la aplicación entúneles ademados con dovelas precisamente parallenarloshuecosdejadosentreelterrenoexcavadoyladovela. Lascondiciones acumplir son: • Rellenar elhuecoqueexisteentredovelayelterrenoexcavado. • Laseparaciónentreinyecciónyelescudo nodeberásermayora20anillos. • Evitarquelamezcladeinyecciónlleguealescudo.
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CAPITULOX ADMINISTRACIÓN ENLACONSTRUCCIÓN DETÚNELES: 10.0 ANTECEDENTES: Elproceso constituido por unaseriedeetapasejecutadas con lafinalidad de determinary lograr losobjetivos mediante lautilizaciónadecuadayracionalderecursos. Lascuatrofuncionesfundamentales delaadministración son:
• Planeación. • Organización. • Direcciónointegración. • Control. PLANEACIÓN : Establece losobjetosdelaobraycada unadelasactividades: • Estrategias. • Recursos. • Políticas. • Procedimientos. • Programas. Para unaplaneación exitosase requierede unatomadedecisiones hábil, lo cual consiste en lossiguientespasos:
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1.- Diagnóstico. 2.-Determinación. 3.- Evaluacióndealternativas. 4.-Selección. ORGANIZACIÓN : Establece laestructuradefuncionesparaalcanzar lasmetas. Seelaboranorganigramas quepueden ser: a)Maestros (de toda laobra). b )Complementarios (de cadasección). INTEGRACIÓNODIRECCIÓN : Dotaymaneja losrecursos paraorientarlos allogrodelosobjetivos. Paraestafunciónentrancomopuntosimportantes: a ) Motivación. b) Liderazgo. c ) Comunicación.
CONTROL: Se comparan los resultados obtenidos con los planeados para poder tomar decisiones correctivas. Lospasosaseguir son: 1°Establecerestándares. 2°Compararelestándarestablecido coneltrabajo real. 3o Ejecutar unaaccióncorrectivaencasonecesario. Losestándares másutilizadosson: 1.- Cantidad (volumen deproducción). 2.- Calidad (tolerancias). 3.-Tiempo (programas). 4.- Costo(presupuesto). Una vez realizado el repaso anterior particularizar para las obras de construcción de túneles:
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10.1 PLANEACIÓN: Enestaetapaseestablecenlosprogramasdecadaunadelasactividadesdelaobraquepueden serfijadasdeantemano,teniendoqueplanificarrecursosyprocedimientoscapacesdecumplircon eltiempoprevistoperodentrodeunatolerancialógica. Si el punto de partida son los recursos y rendimientos, se obtendrán programas cuyo tiempodeejecucióndifieredelcasoanterior. Incorporadas alosprogramastenemos losprocedimientos deconstrucción. Enlaetapade la pianeación sedefinen las políticas tanto internas de la obra,como externas en relación con laspartes que intervienen ensurealización como son,cliente, constructor, proyectista y supervisor. 10.2
ORGANIZACIÓN:
Es indispensable obtener organigramas a la vista incluyendo los nombres de los integrantes para deslindar responsabilidades en cada tramo o frente. Se contara con un organigrama a nivel del encargado del personal que interviene directamente en la ejecucióndelaobra (sobrestantes) Deacuerdo ai numero defrentes o lumbreras quedara elaborado el organigrama general. (Fig 1). 10.3
INTEGRACIÓNODIRECCIÓN :
Losrecursos demanodeobra,materialesyequipodebenser manejados adecuadamente enestaetapa,tantoparasusuministrocomoensuempleo. Elprocesoconsisteenelaborar unprogramadenecesidades paradotar alaobradeestos elementos y una vez suministrados, utilizarlos adecuadamente para obtener el mayor rendimientodeellos. La mano de obra se empleará conforme a las plantillas de personal previamente justificadas conrendimientosyactividades. 104
Los materiales convienen ser dotados a laobra detalmanera que su almacenamiento no sea perjudicial oquelafluidezdelsuministroocasioneretrasos. Como ejemplo, si almacenamos todas las piezas metálicas que forman los marcos determinados como ademe en el túnel de 6.0 metros de longitud, con una separación entre marcos de 1.00 metro, compuesto de cuatro piezas cada uno, tendríamos 24,000 piezas metálicas, que además de ocupar espacio, la inversión no sería la correcta, por lo cual se tendrá mayor aprovechamiento de espacio y económico si el suministro fuera semanal.
10.4 COSTO ENLACONSTRUCCIÓN DETÚNELES : Elcostodelaconstruccióndeuntúnelseintegradelasiguiente manera:
CostoDirecto+Costo Indirecto =CostoTotal 10.4.1 COSTO DIRECTO : Elcostodirectoquedaintegrado porloselementossiguientes: • Costodelamanodeobra. • Costodelosmateriales. • Costodelequipo. Este puede ser aplicado en forma independiente a cada una de las operaciones del procedimiento constructivo. Deacuerdoalnivelorganizacionalde laobra,sepodrá integrarelcostodirecto. El ingeniero que interviene directamente en la producción, deberá conocer cuanto le cuesta cada unadelasactividades:
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• Costode laexcavación. • Costodelademe. • Costodelrevestimiento. Mientras el superintendente de la obra, deberá conocer el costo desglosado en mano de obra, materiales y equipo. Igualmente elcontrol de costo que se registre, podrá ser diario paraeljefedefrente,semanal paraeljefedeobra,ymensualparaelsuperintendente. De cada una de las operaciones de la construcción del túnel se obtiene su costo integrándolo enlosconceptosdemanodeobra,materialesyequipo. Así, se obtendrá en un túnel excavado en roca por medio de explosivos y ademado por concreto lanzado: Costodelaexcavación : • Costodelabarrenación. • Costodelacargadeexplosivosyvoladura. • Costodelaventilación. • Costodelarezaga.
+ Costo delademe: • Costode lacimbra. • Costodelmezcladodeagregadosycemento. • Costodelacolocacióndelconcreto. • Madera pararetaque.
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Costo del revestimiento: • Costodelaproduccióndeconcreto. • Costodelacarga,acarreoydescargadelconcreto. • Costode lacolocación delconcreto (incluyendo movimientodecimbra). 10.4.2 COSTOTOTAL : Conviene referir loscostosanteriores,ametrolinealdetúnel. Laobtencióndedatosparaelregistrodeloscostosescomosigue: 10.4.2.1COSTO DEMANODEOBRA : Seobtienedelaslistasderaya. Eldepartamento oáreadepersonal loregistra. 10.4.2.2COSTODEMATERIALES : Seobtienedelosvalesdeconsumo,elalmacén loregistra. 10.4.2.3 COSTO DEMAQUINARIA : Seobtiene: a ) De la maquinaria mayor, de acuerdo al número de horas trabajadas en base a los costoshorarios. b )Delequipo menoryvehículos,basadoenlarenta (depreciación,mantenimiento,etc.). Eldepartamento demaquinaria loregistra.
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Si se tiene contratados a fleteros para acarreo de materiales, ya sea como suministro ( agregados, cemento, etc ), o como extracción ( acarreo de la rezaga hacia lugares destinados para sualmacenamiento )tenemos uncosto directo llamado "costo defletes", cuyos datos se obtendrían de las liquidaciones. El departamento de fletes se deberá encargar desuregistro,oensudefectoelalmacén. Antes de iniciar la construcción de un túnel se generan gastos de instalaciones tanto de oficinas y campamentos, como del equipo mismo (traslado e instalación ). Estos gastos hasta el momento de iniciar la producción,tienen unimporte que se autoriza a lo largo de laconstrucción deltúnel. Deesta manerasetendrá otrocosto directo más, llamado "costo deamortización"yquetambién puedeconsiderarse pormetro linealdetúnel. 10.4.2.4 COSTO INDIRECTO : Sedesglosade lasiguientemanera: • Gastosgeneralesdelaobra. • Gastosgeneralesdeoficina matriz(en casodeexistir). Losprincipales conceptosquegeneranlosgastosgeneralesdeobrason: • Vehículos. • Combustibles. • Mantenimiento. • Sueldosyprestaciones depersonaltécnicoyadministrativo. • Mobiliarioyequipodeoficina. • Costodelcampamento. • Mantenimientodeoficinas. • Vigilancia. • Papelería. • Serviciomedico. 108
• Energíaeléctrica. • Arrendamientos. • Costoslegales. • Segurosocial. • Gastosde comedor. • Correos,teléfonos,telégrafos,radios,etc.
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CAPITULO XI 11.1CONCLUSIONES: Los verdaderos túneles se construyen excavando por debajo, como en las minas. El métododeconstrucción esta regidoporlacapacidad delsuelo parasostenerse asimismo temporalmente, duranteelprocesodelaexcavaciónypor laspresiones quefinalmentese producenenelsistemadesoporte.Ambas están relacionadas con la profundidad deltúnel ysudiámetro, laspropiedades elásticasyla resistenciadelsueloyconlapresión delagua subterránea. Con laexcepción de algunas arcillas resistentes y formaciones parcialmente saturadas, la mayoría de los túneles en tierra requieren soportes, tanto durante la construcción comodespués. Sobre el nivelfreático, en suelos relativamente firmes, la excavación se inicia por la parte superior techo del túnel y continua hacia abajo en etapas. La excavación se hace lo más grande posible dependiendo la capacidad del suelo para soportarse a si mismo temporalmente. En la etapa inicial el suelo es soportado por planchas de revestimiento que son planchas de acero con pestañas o rebordes que se pueden atornillar unas con otras para formar un revestimiento continuo o con unentablonado de madera o de acero soportado por vigas de acero; Se excava entonces la segunda etapa y se soporta en forma similar. El proceso continúa hasta que se hayan unido todas las planchas que forman una sección completa del túnel. Alguna veces el revestimiento se refuerza con vigascurvasdealaanchaoarcos. Sielsuelo esmuy blandoseemplea unsoportecilindricotemporal llamadoescudo quese introduce en el suelo por medio de gatos. Elfrente de la excavación es soportado por un mamparo equipado por portones que permiten la excavación de una porción limitada del frente cada vez. El revestimiento permanente se construye dentro del escudo a medida que progresa la excavación, entonces se hace avanzar el escudo utilizando el túnel ya terminadocomocámaradeatraque.
no
La construcción con tablones requiere un soporte permanente, generalmente un revestimiento de concreto. Él. Soporte temporal de planchas en ocasiones pasa a ser definitivo, pero corrientemente se protege contra la corrosión con una cubierta de concreto. Él suelo inalterado se encuentra en estado de reposo, este estado es alterado por la excavación y sí él.Suelo es suficientemente fuerte se duplica él. Esfuerzo de compresión en él. Anillo hipotético alrededor del túnel, produciéndose una deformación hacia él. Interior. Untúnel así puedeser que no requierasoporte. Untúnelsin revestimiento, que haestado suministrando agua,por mas de40 años sin peligro alguno, pero sin embargo, la fluencia con altos esfuerzos causara una reducción progresiva del diámetro. En algunos casos aislados este estrechamiento del túnel ha reducido el área a una fracción de su tamaño original. Lossoportesoelrevestimiento puedeevitareseestrechamiento. Debido a la presión en los túneles en arena, es necesario emplear, soportes durante la construcción y permanentemente. Es inevitable que se produzca alguna deformación haciaél.Interiordurantelaexcavación. El arte o habilidad de hacer túneles, es fascinante. La técnica de excavación debe adaptarse a las condiciones del suelo y del agua subterránea. Los revestimientos, temporales, él. Drenaje, la estabilización del suelo y la presión de aire interior para balancear parcialmente la presión del agua, son medios auxiliares utilizados por los constructoresdetúneles. Así mismo, espero queestetrabajo sirva como una información practica y dinámica en la construcción de túneles y lumbreras, ya que tomando las decisiones correctas se podrá eficientar entiempoycosto, locualesfundamental paratodotipo deconstrucción,yaque enestetipodeobras lasdeterminaciones ytomadedecisiones seefectúan enelfrentede excavación,sindaroportunidad encasos reales a laconsulta oproceder a reuniones que paraelcasofrenarían el proceso constructivo yenocasiones hasta llegar asuspender los avances locualessumamenteperjudicial paralaempresaconstructora.
in
BIBLIOGRAFÍA : • SIMPOSIOTECNOLÓGICO. MEXICANO AUSTRÍACO. CONFERENCIA No.5 MODERNA TECNOLOGÍA PARALACONSTRUCCIÓN DETÚNELES. • ALIVA AKTIENGESELLSCHAFT. POSTFACH69 CH-8967WIDEN. SCHWEIZ. • ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CONCURSO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL ACUAFERICO PERIMETRAL DE LA CIUDAD DE MEXICO. • PROYECTO EJECUTIVO DE SANEAMIENTO DE LA CUENCA BAJA DEL RIOSANJAVIER, (DRENAJE SEMIPROFUNDO ). TLALNEPANTLA DEBAZ,EDO DEMEXICO. • LAINGENIERÍA DESUELOS. ALFONSO RICOYHERMILO DELCASTILLO. VOLUMEN I.. EDITORIAL LIMUSA, S.A. 1974.
• MECÁNICA DELSUELO. ( CIMIENTOSYESTRUCTURAS DETIERRA ). TSCHEBOTARIOFF. EDITORAI.AGUILAR. MADRID. TERCERA EDICIÓN,1963. • SIMPOSIO. EXPERIENCIAS GEOTECNICAS, EN LA ZONA PONIENTE DEL VALLE DE MEXICO. 19DEJUNIO 1992. SOCIEDAD MEXICANA DEMECÁNICA DESUELOS.
• ANÁLISIS Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS DE LUMBRERAS DEL SISTEMA DEDRENAJE PROFUNDO DELACIUDAD DEMEXICO. M.en I.FRANCISCO O.AMAVIZCA R. ING.RAFAELZAVALA GARCIA.
