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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

DISEÑO DE TUNELES

La ingeniería es la solución mecánica a un problema práctico. Es pura ingenuidad, y el hombre ha confiado en ella desde el principio de los tiempos. Por ejemplo cuando ha usado un palo para robar miel de un panal ubicado a mitad de altura de un árbol evitando así ser picado por las abejas, o cuando ha cargado una piedra de 50 toneladas sobre dos troncos de árbol que actuaban como ruedas.

Un túnel es una obra de ingeniería que para su construcción, requiere de técnicas, productos, equipos especiales y de análisis geológicos, geotécnicos e hidráulicos; este es realizado por especialistas, una vez que se ha definido el proyecto de construcción de un túnel. Se conoce las condiciones y características del lugar, eligiendo el proceso constructivo que conviene para su construcción. Según las dimensiones del proyecto, se deben de considerar otros factores como son seguridad, economía y durabilidad de la obra.

INTRODUCCIÓN

TUNEL

Un túnel es una obra subterránea de carácter lineal, cuyo objetivo es la comunicación de dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales entre otras cosas. Normalmente es artificial.Un túnel puede servir para peatones, aunque generalmente sirve para dar paso al tráfico, para vehículos de motor, para ferrocarril o para un canal. Algunos son acueductos, construidos para el transporte de agua (para consumo, para aprovechamiento hidroeléctrico o para el saneamiento). También hay túneles diseñados para servicios de telecomunicaciones. Incluso existen túneles para el paso de ciertas especies de animales. Algunos conectan zonas en conflicto o tienen carácter estratégico, ya que sirven como refugio.En las grandes ciudades el transporte se realiza mediante una red de túneles donde se mueve el metro. La posibilidad de soterrar ahorra espacio e impide el cruce al mismo nivel del tren con los peatones o los vehículos.

Los túneles son un medio de comunicación artificial entre dos puntos separados por un suelo o roca. Su objetivo es el de permitir el paso de personas, ferrocarriles, vehículos, conducciones eléctricas, de agua u otros. Debido a su utilización diversa elevan su importancia a medida que la sociedad avanza y son inevitables en grandes núcleos urbanos muy masificados por edificios para establecer líneas de metro; en la comunicación de poblaciones separadas por una orografía pronunciada o incluso por mar, como es el túnel del Canal de la Mancha.

IMPORTANCIA DE LOS TÚNELES

Minería: aunque se suelen denominar galerías o pozos, dependiendo de la orientación, su fin es unir dos puntos, en el caso, para acceder a una mineralización.

Túnel en mineríaTúnel para carros

Túnel para peatones 

Túnel para ferrocarril

CRITERIOS PARA EL DISEÑO

DE UN TÚNEL

Investigación Geotécnica

Es esencial que cualquier proyecto de túnel comience con una investigación sobre las condiciones del terreno. Los resultados de la investigación nos permitirán saber cuál es la maquinaria y los métodos de excavación y sostenimiento a realizar, y podrán reducir los riesgos de encontrar condiciones desconocidas. En los primeros estudios, las alineaciones horizontales y verticales serán optimizadas para aprovechar las mejores condiciones de agua y suelo.En el caso de los túneles en roca, dada la variabilidad de los distintos factores que intervienen en la mecánica de rocas, es frecuente abordar su estudio mediante las llamadas clasificaciones geomecánicas, entre las que destaca la clasificación geomecánica RMR.

Mecanismos de inestabilidad

Distribución espacial de las discontinuidades, relación entre su posición (rumbo y buzamiento) con la dirección del túnel. Siendo este él más importante a considerarse en el trazo de entrada y salida del túnel.

• Presencia y naturaleza de los materiales de relleno de la discontinuidades.

• Irregularidades en las superficies de las discontinuidades.• Rotura y movimientos anteriores

Métodos de clasificación del macizo rocoso

Existen muchos métodos útiles para poder clasificar un macizo rocoso, entre ellos se puede escoger algunos métodos elaborados por autores conocidos mundialmente en el campo de la mecánica de rocas que realiza análisis específicos para el diseño de túneles entre estos podemos mencionar a Barton y Bieniawski,

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Tamaño de los Bloques de Roca

Resistencia al Corte o Cizalle

• Agua reduce la resistencia al corte• Las zonas de cizalle generan tension

Esfuerzo Activo

• Para la definición del trazado de un túnel, deben considerarse diversas características geológicas:

• Tipos de roca y sus propiedades.• Orientación de discontinuidades respecto al

eje del túnel, influye en la dificultad para la de excavación y sus condiciones de estabilidad.

• Condiciones favorables es que discontinuidades manteen hacia el sentido de avance de la excavación.

• Presencia de fallas, su orientación y espesor.

Trazado del Túnel

Al perforar un túnel se puede encontrar tres tipos de condiciones naturales que dan lugar ala perdida de resistencia del macizo rocoso y, por lo tanto, a problemas de estabilidad:Orientación desfavorable de

discontinuidades.Orientación desfavorable de las tensiones

con respecto al eje del túnel.Flujo de agua hacia el interior de la

excavación a favor de fracturas, acuíferos o rocas estratificadas.

Excavación de Túneles

En suelo, excavación es manual o mecánica, seguida rápidamente por soporte para mitigar las deformaciones y prevenir colapsos.

En roca, se puede usar tronadura controlada, cortadores rotatorios o TBM

Tunnel Boring Machines (TBM)

Grandes cabezas rotatorias de hasta 12 m de diámetro, armadas con discos o puntas, rotan a 2-10 rpm. Avance hasta 30 m/día.

Efectividad (y conveniencia económica) de la TBM depende de las condiciones de la roca. Rocas de UCS > 150MPa tienden a ser muy problemáticas.

Abrasividad de la roca es importante ya que gasta rápidamente los discos. La abrasividad depende del contenido de cuarzo, tamaño del grano, resistencia y porosidad de la roca.

Niveles de stresses sobre la roca son comparables a las de tronaduras.

Ventajas son la generación de paredes suaves con poca sobre-excavación, lo que reduce necesidades de soporte.

TBM

Casos Especiales

a) Cambio de roca a suelo•El paso del túnel de roca a suelo debe ser previsto y medidas especiales deben ser tomadas. Puede ser conveniente variar el trazado para evitar esta situación.•Cambio drástico en condiciones y métodos de excavación y soporte. •Suelo puede estar saturado e inundar el túnel al pasar el contacto.•El contacto usualmente es una superficie de erosión, generalmente irregular y por la tanto difícil de predecir en su localización exacta.

b) Túneles Parietales

•Excavados subparalelos y a poca distancia de una pared o ladera rocosa en superficie. Falta de continuidad del macizo provoca anomalías en las condiciones de esfuerzos.•Propiedades de la roca e inclinación de la ladera inciden directamente en estabilidad del túnel. En algunos casos puede convenir reemplazar la roca con materiales artificiales en vez de soportarla.

Construcción

Los túneles se construyen excavando en el terreno, manualmente o con máquinas. Los sistemas habituales de excavación subterránea son medios mecánicos, voladuras y manual:

Los medios mecánicos mediante minador puntual (rozadora), minador a sección completa o TBM o tuneladora (Tunnel Boring Machine) o con maquinaria convencional (martillo picador, excavadora...)Perforación y voladura mediante explosivos.Manual, método derivado de la minería clásica del carbón, en el que los operarios pican con martillo neumático la sección a excavar y otra partida de obreros desescombran manual o semimanualmente.

Se diseñan para favorecer el paso fluyente, continuo, y seguro de vehículos motorizados, a través de los obstáculos topográficos que impiden el trazado de una carretera cruzando montañas horadando macizos rocosos, con objeto de lograr un trazado cómodo y funcional.

Su diseño debe ser básicamente seguro, funcional y hasta donde sea posible estético.

Túneles carreteros

METODO AUSTRIACO

"El ingeniero que se enfrenta al proyecto y construcción de un túnel, debe considerar varios

aspectos, todos ellos importantes, ya que cada uno por si sólo, puede

hacer fracasar el proyecto."

grac

ias