Desde la antiguedad el hombre ha realizado excavaciones subterráneas, principalmente ligadas a actividades mineras. Estas actividades han permitido experimentar y conocer el comportamiento del medio rocoso cuando se realizan excavaciones en su interior. Esta experiencia secular ha propiciado el análisis de los comportamientos de las rocas y el desarrollo de técnicas de construcción eficaces para asegurar la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En épocas recientes, las técnicas de construcción de trabajos subterráneos han experimentado principalmente en la Europa Central (Alemania y Austria) un notable desarrollo con la proliferación de métodos de construcción, Alemán, Belga, Austríaco ... Simultáneamente ha ido cristalizando una tecnología propia de los trabajos en

'

subterráneo, con la contribución inestimable de ciencias como la geología, la mecánica de rocas y la resistencia de materiales. Modernamente, a partir de los años 60, el profesor austriaco Rabcewicz supo explicitar con una mayor claridad y sintetizar, en unos pocos principios, lo que comunmente se llama Nuevo Método Austriaco (NMA), la experiencia acumulada durante siglos en los trabajos subterráneos. Realmente, aunque fue objeto de patente en su día como método de construcción, el NMA no es un método propiamente dicho, sino una filosofía que permite ejercitar acciones eficaces para contribuir a la estabilidad de las excavaciones subterráneas. En realidad, los principios enunciados por el profesor Rabcewicz son de posible cumplimiento con cualquiera de las técnicas constructivas modernas de las obras subterráneas, en las que predominan la utilización de nuevos elementos estructurales en el sostenimiento y revestimiento, de técnicas de mejora del terreno y la aplicación creciente de una maquinaria de alta tecnología y una gran especialización, como las máquinas de excavación mecánica de túneles (máquinas TBM, escudos, rozadoras), las técnicas que permiten cualquier tipo de inyección previa de los terrenos, la congelación de terrenos con presencia de agua, ... En esencia, las ideas fundamentales enunciadas por el profesor Rabcewicz son las siguientes:

O La zona de roca que circunda al túnel interviene en la estabilidad de la excavación y es el principal elemento del que depende ésta. Es decir, es la propia roca la que se autosostiene, ya que se forma un arco de descarga en torno al túnel que transmite las tensiones a ambos lados de éste. Como consecuencia de lo señalado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las características de la roca que rodea al túnel. Para ello es beneficioso emplear cualquier técnica de excavación mecánica o, en su defecto, técnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte, ...

Q Para facilitar la distribución de tensiones en el anillo de roca que rodea al túnel, se deben diseñar los túneles con formas redondeadas, evitando los puntos angulosos. El sostenimiento se colocará de forma que deje deformarse al terreno,

siempre dentro de la estabilidad del túnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga que va a soportar el sostenimiento dependerá pues del momento en que se coloque tras la excavación.

o En la etapa de Proyecto se diseñan varios tipos de sostenimiento a aplicar según sea la calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la información que aporta la instrumentación del túnel.

o Inmediatamente tras la excavación se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al túnel. Más adelante, en función de otros factores, tales como presencia de agua u otros factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormigón encofrado.

Dado que, como se ha indicado más arriba, el anillo de roca que rodea al túnel es el principal elemento que proporciona estabilidad a la excavación, el sostenimiento tendrá como primera misión evitar que el terreno pierda propiedades por efecto del proceso constructivo, o incluso que las mejore. Solamente en segundo lugar se sitúa la capacidad resistente por sí misma del sostenimiento, que es muy pequeña comparada con las grandes tensiones que pueden existir en el interior de los macizos rocosos, debido al enorme peso de las coberteras de roca habituales. Los elementos generalmente usados para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas en roca son dos:

El hormigón proyectado, en masa o armado e Los bulones Además de estos dos elementos se usan otros en algunas circunstancias, especialmente cuando se trata de atravesar zonas de roca de mala calidad: las cerchas metálicas, los paraguas o enfilajes, chapas tipo Bernold, otros tratamientos especiales: inyecciones, drenajes, etc.. . En los capítulos que siguen se detallarán de forma minuciosa las características, posibilidades, aplicaciones y limitaciones de cada elemento. A continuación, de forma resumida, se señalan las acciones más importantes de cada uno de los elementos estructurales del sostenimiento de los túneles:

HORMIGÓN PROYECTAD0.- El hormigón proyectado tiene dos efectos principales: Sella la superficie de la roca, cerrando las juntas, evitando la decompresión y la

alteración de la roca. De este modo el terreno puede mantener, en una mayor medida, sus características iniciales. e El anillo de hormigón proyectado desarrolla una resistencia y puede trabajar como lámina, resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse. También resiste la carga puntual ejercida por pequeñas cuñas o bloques de roca que descansan sobre la capa de hormigón.

BULONES. - LOS bulones tienen igualmente dos efectos básicos sobre la roca: El bulonado cose las juntas de la roca, impidiendo que cuñas y bloques puedan deslizar

a favor de las fracturas. Generalmente la rotura de un macizo rocoso se produce siempre a favor de las juntas. e Por otra parte, el bulonado tiene un efecto de confinamiento de la roca, actuando del mismo modo que las armaduras lo hacen dentro del hormigón. Gracias a este efecto se consiguen absorber las tracciones que aparecen en el terreno, e impedir la formación de zonas decomprimidas.

CERCHAS. - La cercha tiene una función resistente trabajando como un arco y colaborando con el hormigón proyectado. Tiene la ventaja sobre éste que su resistencia inicial ya es la definitiva, mientras que en el hormigón las resistencias se desarrollan con el tiempo. Otra función de las cerchas es definir claramente la geometría del túnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormigón proyectado y a evitar sobreexcavaciones o zonas dentro de gálibo.

PARAGUAS.- LOS paraguas o enfilajes son elementos lineales de refuerzo previo colocados paralelamente al túnel por delante del frente y situados por encima de la línea de excavación. Mediante la acción de los paraguas, se puede conseguir atravesar una zona de mala calidad de roca sin que se produzcan desprendimientos en clave.

CHAPAS BERNOLD.- Este tipo de chapas ranuradas se usan como encofrado perdido para rellenar huecos, zonas donde ha habido un desprendimiento, etc. Su buena adherencia al hormigón hace que puedan actuar como elemento resistente junto con éste, además de servir de encofrado perdido.

T R , ~ , T A N I I E ~ Y - ~ O S ESPECIALES. - LOS tratamientos especiales son de muchos tipos, y se utilizan para atravesar zonas de mala calidad del terreno. Entre los principales están los siguientes: drenajes del frente, machones en el frente, inyecciones convencionales, inyecciones mediante jet-grouting, anclajes tensados, congelación, bulonado del frente, etc.

-1 El hormigón proyectado (también llamado gunita) es el hormigón que se coloca mediante proyección del mismo contra la superficie de roca que se desea proteger, de forma que queda adherido a ésta. El hormigón proyectado se diferencia únicamente del hormigón colocado (encofrado y vibrado), aparte del método de puesta en obra, en que el tamaño máximo de los áridos es menor y en que lleva siempre, como aditivo, un acelerante para facilitar su adherencia a la superficie de roca y para conseguir altas resistencias iniciales. Existen dos tipos de hormigón proyectado en función del método de puesta en obra: por vía seca y por vía húmeda. En el hormigón por vía seca se proyecta separadamente el agua y la mezcla de áridos y cemento, lográndose su unión precisamente en el impacto contra la superficie que se está gunitando. En cambio, en el hormigón por vía húmeda se efectúa la mezcla completa (cemento + áridos + agua + aditivos) como en el hormigón convencional y se proyecta posteriormente la mezcla obtenida.

-1 LOS materiales de que consta el hormigón proyectado son los siguientes:

Cemento O Aridos

Agua Aditivos: acelerantes, etc. Armadura de refuerzo: mallazo o fibra.

A continuación se analiza detalladamente cada uno de ellos excepto la armadura de refuerzo, que merece un capítulo aparte.

CEMENTO.- El cemento que se emplea para el hormigón proyectado puede ser el mismo que cualquiera de los que se usan para el hormigón convencional. Se deben cumplir las especificaciones del Pliego de Prescripciones Técnicas RC-88'7', pero además se recomienda cumplir las siguientes características "':

1 g 0 1 O Principio de fraguado: 1.5 a 4 horas.

Huso p-a n ulo ín étrico pam Taman'o

fMdxinzo 16 írznz.

Huso g a n zdo~nétrico para Taman'o

Mhcinzo 12 mm.

Finura de molido: 3500 a 4500 cmzlg. e Resistencia a Compresión Simple, según la tabla 7.1.

Contenido en aluminato tricálcico: <3%, si el contenido en sulfatos del agua es >400 mgll, o tan bajo como sea posible, si es mayor de 1000 mgll.

Temperatura de almacenamiento: ~70°C . El contenido típico de cemento oscila entre los 300 y los 450 KgIm3, mayor cuanto menor es el tamaño del árido y mayores resistencias se quieren alcanzar.

ÁRIDOS.- Se seguirán las recomendaciones generales de la Instrucción de Hormigón EH-91@), limitando el tamaño máximo del árido a 8 mm en hormigón por vía húmeda y 16 mm (recomendable 12 mm) para el hormigón por vía seca. Actualmente la tendencia es no superar los 8-10 mm. tamaño máximo del árido. Experimentalmente se comprueba que las características del hormigón proyectado mejoran si se consigue una granulometría de áridos continua. Se han establecido unos

TAMIZ (mm)

husos granulométricos dentro de los cuáles es recomendable encajar la granulometria para lograr un hormigón óptimo. Las distintas normativas nacionales ofrecen husos similares (DIN1045 alemana, AFTES francesa, Comité 506 de la ACI (USA)), de los que se han extraído los que se muestran en la tabla 7.2 y en las figuras 7.1, 7.2 y 7.3., para los casos de 16mm, 12mm y 8mm, respectivamente, de tamaño máximo del árido. Para otros valores puede interpolarse linealmente entre los husos dados.

TAMIZ (mm)

Huso granulométrico para Tumaiio Máximo 8 nzm.

AGUA.- Se seguirán las recomendaciones de la EH-91; en general son válidas las aguas sancionadas por la práctica y aquéllas con bajo contenido en sales y sustancias orgánicas.

ADITIVOS.- LOS principales aditivos que pueden usarse en el hormigón proyectado son los acelerantes, las cenizas volantes y el humo de sílice.

ACELERANTES: Los acelerantes son productos químicos (silicatos, aluminatos, carbonatos, hidróxidos, cloruros, etc.) que hacen que el cemento reaccione más rápidamente, con lo que se consiguen altas resistencias iniciales. Como inconveniente se observa una reducción de la resistencia final, a largo plazo, del hormigón. Dado que existen muchos tipos de acelerantes, debe buscarse uno que sea compatible con el cemento utilizado, y tantear la cantidad de acelerante óptima, suficiente para lograr una alta resistencia inicial pero que no reduzca demasiado la resistencia final. En el hormigón proyectado, debido a su procedimiento de puesta en obra, así como a la necesidad de que desarrolle resistencia de forma rápida, es indispensable el uso de acelerantes.

El acelerante se puede suministrar en polvo o Iíquido. En este ú l t imo caso se puede dosificar con mayor precisión siendo la acción del acelerante más eficaz. Los contenidos máximos recomendados (relación acelerante / cemento) son: 10% para polvo y 8% para Iíquido. Con los acelerantes líquidos se elimina el ambiente agresivo en el frente de trabajo, originado por las partículas del acelerante en polvo en suspensión en el aire. Los contenidos recomendables según diversos casos son los indicados en la tabla 7.3"':

CENIZAS VOLANTES: La adición de cenizas volantes al cemento normalmente mejora la adherencia a la superficie de roca y la resistencia a largo plazo. Se recomiendan los valores indicados en la tabla 7.4").

HUMO DE S~LICE, O MICROSILICE: La adición de Si02 al hormigón tiene varias ventajas:

reduce el polvo, reduce el rechazo, mejora la adhesión y la resistencia. Debe comprobarse, no obstante, la compatibilidad con el acelerante. Necesita, para un uso adecuado, de una buena distribución en la mezcla. En cuanto a sus características, se recomiendan los valores que se muestran en la tabla 7.5:

IPUESTA EN OBRA 1 Como ya se ha indicado anteriormente, existen los métodos para la puesta en obra del hormigón proyectado: por vía húmeda y por vía seca. El funcionamiento de cada uno es como sigue:

V ~ A SECA.- En la figura 7.4 se muestra una gunitadora típica por vía seca. El proceso es

Gunitadonz por vía seca

(Cortesía ALíVA)

e-- AGUA

Guízitado por vía seca

e----- MEZCLA SECA

1 - TOLVA DE ALIMENTACION

2 - AGITADOR

3 - AlRE COMPRIMIDO

4 - SALIDA DEL MATERIAL

5 - EJE DE TRASMISION

6 - AlRE COMPRIMIDO

como sigue (figura 7.5): la mezcla de cemento, áridos, aditivos en polvo y fibras, si existen, se va echando en la tolva de la gunitadora. Allí se agita y alimenta un rotor alveolar que gira en torno a un eje vertical. Cuando un determinado compartimento alcanza una cierta posición, el aire comprimido pro-cedente de un compresor empuja la mezcla a través del conducto de transporte y proyección (tubería y manguera de proyección). En la boquilla de la manguera se añade el agua y los aditivos Iíquidos disueltos en ésta, que llegan a presión por otra manguera. La mezcla de cemento, áridos y agua se produce en la boquilla de la manguera. El operario que está gunitando porta la manguera de la mezcla y gradúa manualmente la entrada de agua, en función de la consistencia que aprecia en el hormigón resultante. Por este motivo el hormigón proyectado por vía seca resulta bastante sensible a la habilidad y experiencia del operario. V ~ A H U F \ A E D A . - E l gunitado por vía húmeda es un proceso muy similar al

Gunitado por vía húmeda

manguera, en cuya boca se añade aire comprimido para proyectar la

bombeo de hormigón. En la figura 7.7 se muestra una guni-tadora de vía húmeda típica. La mezcla completa (cemento + áridos + agua + aditivos) se vierte sobre la tolva de la gunitadora. Allí, mediante un sistema de torni l lo sin f in o neumático, se impulsa por la

u

mezcla. También es posible añadir . . ... . .

aditivo: ADITIVOS

hl ; líquidos en la boquilla de la

manguera (figura 7.6).

Gzt í z itado ra por vta húmeda

(Cortesta Sch wing;)

En tabla 7.6 se muestran las principales características, ventajas e inconvenientes de ambos sistemas.

Robot gunitador

(Col-testa ALIVA)

RECOR4ENDACIONES GENERALES.- En lo referente al proceso concreto de proyección del hormigón, existen algunas recomendaciones a tener en cuenta para lograr una buena calidad del hormigón resultante. Estas pueden resumirse en los siguientes puntos:

La superficie a gunitar debe estar limpia y ligeramente húmeda para que se adhiera bien el hormigón. Esto puede conseguirse proyectando, previamente a la mezcla completa, agua y aire durante unos minutos.

En puntos donde fluye agua desde la roca la gunita no se adhiere. En tal caso conviene entubar el flujo de agua y gunitar alrededor, dejando salir el agua. También es práctica habitual reducir un poco la cantidad de agua de la mezcla.

El operador que gunita debe tener experiencia, ya que un correcto gunitado depende, en gran medida, de la habilidad del operador.

El trabajo de gunitar es penoso, por lo que se consiguen mejores condiciones de trabajo y mayores rendimientos usando un robot gunitador (figura 7.8). Esta máquina tiene un dispositivo que permite manejar la manguera por control remoto con un operario situado a una distancia de seguridad del frente.

La distancia de la boquilla a la superficie a gunitar debe estar entre 0.60 y 2.0 metros. Se debe gunitar perpendicularmente a la superficie, moviendo la boquilla describiendo círculos de abajo a arriba. Con ello se consigue una mejor adherencia y homogeneidad y un menor rechazo.

Se llama rechazo a la parte de la gunita proyectada que no se adhiere y cae al suelo. El rechazo habitualmente está entre un 50 y un 100 % del total de hormigón que queda adherido (vía seca), por lo que supone un porcentaje muy importante que encarece notablemente el costo del hormigón proyectado. El rechazo se reduce con una buena dosificación de la mezcla y una adecuada puesta en obra, siendo importante la habilidad del operario. Por vía húmeda el

suele ser mucho menor que 1 ~ @ @ ~ ~ ~ @ % % % @ ! = ~ 1 por vía seca, incluso menor del 10% con una mezcla correcta. e Las gunitadoras funcionan con aire comprimido, por lo que es necesario la instalación de un compresor de caudal adecuado en el túnel. En la tabla 7.7 se muestran los caudales necesarios de aire a 700 I<Pa de presión según los casos's':

masa únicamente cuando se utiliza como sellado de la superficie de roca, en espesores generalmente inferiores a 5 cm. Cuando se le quiere dar una capacidad resistente, se utiliza hormigón armado. El refuerzo puede ser mediante malla electrosoldada o mediante fibra de acero. Ambos tienen el efecto adicional de permitir gunitar mayores espesores de una sola vez, lo que agiliza la colocación del sostenimiento.

REFUERZOS: MALLAZ3 Y FIBRA

MALLA ELECTBQS0LDADA.- La malla electrosoldada o mallazo está formada por una parrilla de barras corrugadas unidas mediante electrosoldadura, y se utiliza como refuerzo del hormigón proyectado por su facilidad de adaptación a la forma del túnel. Generalmente se usan mallazos de diámetros 4, 5 ó 6 milímetros a separaciones comprendidas entre 10 y 20 centímetros. En la tabla 7.8 se muestran los mallazos más usados habitualmente y sus cuantías en KgIm2. Por facilidad de manejo y colocación, conviene utilizar cuantías inferiores a los 3 KgIm2 y diámetros inferiores a 6 mm. Si se superan estos valores, la maniobra de colocación del

El hormigón proyectado se coloca normalmente en

i t @ 7 Q @g@~i&@@g&-,% / mallazo en la clave del túnel, adaptándose a las irregula- ridades del terreno, se vuelve muy penosa. La sujeción de los paños de mallazo al terreno puede hacerse por varios métodos (figura 7.9), aunque lo más recomendable es utilizar las placas de los bulones.

A - Placas de bulones B - Alambres en hormigón

C - Diapasones m

De este modo se consigue que gunita, mallazo y bulones tra- bajen conjuntamente. Es recomendable que entre unos paños y otros de mallazo se dejen siempre al menos 20-30 cm de solape. El mallazo debe ajustarse lo más posible al terreno, ya que, de otro modo, al gunitar sobre él podrían quedar huecos entre el hor- migón proyectado y la roca. Además la vibración, inducida en la malla por la proyección, eleva el porcentaje de rechazo. Para trabajar adecuadamente, el mallazo debe estar embebido

dentro del hormigón. Esto implica efectuar el gunitado en dos capas, y colocar el mallazo entre ambas. Muchas veces se coloca el mallazo en primer lugar y luego se gunita todo el espesor encima. Esta práctica tiene la ventaja de que el mallazo actúa desde el primer momento evitando la caída de pequeñas cuñas, pero tiene el inconveniente de una menor durabilidad (corrosión por las aguas que afloran desde la roca) y de peor comportamiento estructural (el acero no está completamente embebido en el hormigón). En ciertos túneles de sección reducida y en roca de buena calidad, en los que no se utiliza hormigón proyectado, puede usarse el mallazo solo, en combinación con los bulones, para evitar la caída de cuñas y bloques.

FIBRA DE ACERO.- Si en la mezcla del hormigón se añaden fibras de acero junto con los áridos y el cemento, el producto resultante tendrá, embebidas en su masa, gran número

1 L 1 d =0.5 mm.

L = 30 mm.

CARTA DE IDENTIDAD DRAMIX ZP 301.50

de estas fibras dispuestas en todas las direcciones, lo que le confiere una resistencia a tracción que el hormigón en masa no tiene. Las fibras usadas para refuerzo del hormigón proyectado tienen la forma que se muestra en la figura 7.10. Son alambres de acero conformados en fr ío formando unas patillas que mejoran su adherencia con el hormigón. Se fabrican en varios diámetros y longitudes, siendo el más habitual el de 0.5 mm de diámetro y 30 mm. de longitud. La cuantía con que se emplean está comprendida entre 30 y 50 Kg de fibra por m3 de hormigón. Las fibras se suelen conocer por uno de sus nombres comerciales: DRAMIX (de la casa Bekaert S.A.). En la figura 7.1 1 se muestra la carta de identidad de un tipo de fibra DRAMIX"). Este gráfico muestra varias características del hormigón con fibra para varios contenidos de ésta. El factor Ru indica la relación en tanto por ciento entre la resistencia a flexión de una probeta de 150x1 50x600 mm. con y sin fibra. Los otros factores indican la tenacidad del material, es

decir, la energía de deformación que absorbe el hormigón con varios contenidos de fibra. La utilización de hormigón proyectado con fibra conlleva una serie de ventajas e inconvenientes con respecto al uso de mallazo, y es un tema controvertido hoy en día el distinguir cuándo se debe utilizar uno y otro. Se pueden señalar los siguientes consideraciones a este respecto:

La puesta en obra de la fibra es muy sencilla puesto que simplemente se añade a la mezcla del hormigón junto con los áridos. En cambio, el mallazo tiene una colocación lenta y en ocasiones dificultosa.

- El hormigón con fibra ocasiona unos desgastes en distintos componentes de la máquina en la manguera y en la boquilla de gunitado, muy superiores a los debidos al hormigón sin fibra. La fibra no actúa hasta que el hormigón ha endurecido, es decir, después de varias horas de la colocación. En cambio el mallazo actúa desde el primer momento, y es capaz por sí solo de resistir la caída de pequeñas cuñas y bloques.

- El contenido en fibra del hormigón es muy difícil de controlar. Normalmente es necesario añadir más cantidad en la mezcla para conseguir un cierto contenido in-situ, ya que el rechazo de fibras es importante.

c: El rechazo del hormigón con fibras es menor que el del hormigón sin fibras. El mallazo, si está mal colocado, dejando huecos entre él y la roca, aumenta el rechazo de forma considerable.

largo plazo). A continuación se describen los principales controles que se realizan habitualmente en la obra: r n~~ - rn , , i \ l ~ ~ ; ~ ~ CEL E5PiSO3. - El control del espesor es importante porque suele ser uno de

los motivos de discusión más habituales entre Contratista y Dirección de Obra, debido a la tendencia de aquél a colocar espesores menores de los exigidos. El espesor de la capa de hormigón puede controlarse dejando unos clavos en las paredes y clave del túnel antes del gunitado, que sobresalgan una distancia equivalente al espesor que es necesario colocar. Estos clavos han de cubrirse con el gunitado. Después de la puesta en obra puede controlarse el espesor con una taladradora manual, haciendo un taladro hasta encontrar la roca y midiendo su profundidad. Otro método posible es sacar un testigo del hastial del túnel, que también puede emplearse para ensayarlo a compresión simple.

E!\JS.&'!~S C G ~ . I T ~ \ O L

COMTXOL DEL CONTENIDO ti\! FIB?,A.- Se puede medir en laboratorio el contenido en fibra de una muestra de hormigón mediante molido y separación del acero por un procedimiento magnético o manual. El control se puede efectuar sobre una muestra obtenida de artesa o del hastial del túnel y también sobre una muestra de mezcla antes del gunitado. El contenido en fibra exigido siempre debe considerarse in-situ, y suele ser diferente del contenido en la mezcla.

RESiSTEi\!CIA A LARGO PLAZO.- La resistencia a largo plazo se evalúa rompiendo una probeta de hormigón de forma cilíndrica a compresión simple. Generalmente se mide la resistencia a las edades de 3, 7 y 28 días. Las probetas se obtienen mediante una máquina tomatestigos, bien del mismo hastial del túnel, bien de una artesa. Este último procedimiento es el más utilizado, y consiste en lo siguiente: durante el gunitado se proyecta también sobre una artesa de madera colocada en posición vertical. La artesa se deja en el túnel hasta su fraguado y de ella se extraen un mínimo de seis probetas (testigos) que se rompen en el laboratorio.

El control que se realiza sobre el horm~gón proyectado es de dos tipos: cuantitativo (espesores, contenido en fibra) y cualitativo (resistencia a corto y

SES~ST;:V~!R ,A E3Fj.13 p ~ i . 7 9 . - Generalmente es más importante la resistencia a corto

sobre resistencia temprana del

homigóón p ívy ectado

Métodos para detenninnr La

resistencia a corta edad

plazo del hormigón proyectado que a largo plazo. Esto es especialmente evidente cuando el túnel lleva un revestimiento definitivo de hormigón encofrado y si tenemos en cuenta que la roca presiona sobre el sostenimiento inmediatamente tras la excavación. La figura 7.12 muestra las resistencias requeridas por la Norma Austríaca de hormigón proyectado en las primeras 24 horas"' A edad tan temprana, es imposible obtener probetas o testigos del hormigón que se puedan romper a compresión simple, por lo que hay que acudir a procedimientos indirectos para evaluar la resistencia del material. En la figura 7.1 3 se muestran los

RC (WIPa) procedimientos existentes y el rango de aplicación de cada uno"'. Dado que se trata de métodos indirectos, suelen dar bastante dispersión. Por esta causa se recomienda efectuar el ensayo sobre el mayor número de muestras posible. E l primer método se realiza me- diante el uso de un penetrómetro (figura 7.14). Consiste en clavar una aguja en el hormigón fresco a una presión fija proporcionada por un muelle. E l fabricante facilita una correlación entre la longitud a la que

15 30 1 2 3 6 9 17 24 se introduce la aguja y la resistencia

MINUTOS HORAS -1 del hormigón'

1 J, : CASOS NORMALES

J, : TUNEL CON ALTAS CARGAS INICIALES i

J, : CASOS EXCEPCIONALES

A - Penetrómetro dia.9 mm.

B - Penetrómetro dia.3 mm.

C - Método de arrancamiento o clavado de bulón.

D - Testigos.

5 15 30 1 2 5 1 0 24 2 3 7 28 29

MINUTOS HORAS & DIAS -1

Penetrómetro

Otro método es el llamado Kaindl-Meyco (figura 7.1 5). Consiste en dejar en el hastial del túnel unas piezas metálicas de la forma y dimensiones que se observa en la figura y gunitar sobre ellos una capa de 3-4 cm de hormigón. Posteriormente se tira de dichas piezas mediante un gato y se arrancan junto con un cono de gunita. El fabricante suministra unas curvas en la que se correlaciona la resistencia del hormigón con la fuerza que es necesario aplicar para arrancar los clavos y el tamaño de éstos. Por último está el denominado ensayo de arrancamiento (figura 7.16). Se intro-

~ ~ ~ ~ , ~ N ~ TUERCA DEL MANGUITO 7 MUELLE CALIBRADO

AGUJA DE PENETRACION

I 1

AGUJA DE PEA VASTAGO GRADUADO ORIFICIO DE VENTliAClON

DEL DESLIZAMIENTO PUNTA DE APOYO DE LA AGUJA

TUERCA DE MARIPOSA PARA EL VOLANTE

I ROSCA DEL MANGUITO

ducen unos clavos en el hormigón mediante una pistola y luego se arrancan mediante un gato. El fabricante proporciona igualmente una curva de calibración que relaciona la resistencia del hormigón con la fuerza necesaria

1 para arrancar el clavo.

a ésta por un procedimiento mecánico o por medio de una sustancia adherente. Tienen

-. si: ~IJLOM:S

los efectos que ya se analizaron en el apartado 7.2: cosido de las juntas y fuerza de confinamiento sobre el macizo rocoso. Por su forma de actuar, existen en principio dos tipos de bulones: los activos y los pasivos. En la figura 7.17 se muestra el funcionamiento de cada uno. El bulón activo funciona como un anclaje: está unido a la roca por la punta, tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El bulón se tensa a una carga comprendida entre 6 y 15 toneladas, según tipos y diámetros, y la placa transmite dicha carga al macizo rocoso. El bulón pasivo, por el contrario, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa de forma similar a las armaduras del hormigón: sólo entra en carga cuando la roca se deforma y arrastra con ella al bulón. Teóricamente no es necesario el uso de placa, aunque se suele poner para sujetar al mallazo, si éste existe. En la construcción de túneles se usa casi siempre el bulón pasivo. Los motivos son

Los bulones, también llamados pernos, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren

Bulo~zes activos y pasivos

Bulón de anclaje mecánico

Bulón de redondo inyectado

A - ACTIVOS

., . BULBO A N C W E FUSTE

TUERCA

E W

B - PASIVOS

BULONES DE ANCWE MECANICO - ANCLAJE DE EXPANSION

fundamentalmente dos: es más rápido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual ésta desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios básicos de la construcción moderna de túneles). Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de bulones en función básicamente de su sistema de colocación y adherencia a la roca. Los más utilizados son los siguientes:

B!JLÓN 3 E AN[@,jE $ ~ ~ c Á $ j j ~ 3 . -

(f igura 7.18 y tabla 7.9) Consiste en una barra de acero que lleva en la punta un mecanismo, cuña de expansión, que se abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento. La barra se tensa mediante una tuerca en la cabeza. Es un bulón activo, y su uso es muy limitado. La fuerza de anclaje es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el tiempo tiende a perderse la fuerza de anclaje por relajación del sistema de expansión.

~ u k - 6 ~ DE REDONDO II\!VLCiAT>O.- (figura 7.19 y tabla 7.10) Es el bulón más utilizado. Se trata simplemente de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo, aunque éste último es el más habitual. La fijación puede ser mediante cartuchos de resina epoxi, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando lechada de cemento en el taladro. Este último sistema es el que

u BULON INYECTADO

Tuer 1

Resina o mortero Barra de de cemento

Placa de apoyo simple

ofrece mejores resultados, pero es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean gene- ralmente cartuchos, que ofrecen un comportamiento suficientemente satisfactorio. Si el bulón es activo es

redo?zdo inyectado DYWIDAG

CALIDAD DE ACERO 1 080 MPa

necesario inyectar sólo el bulbo de anclaje, lo que se consigue por medio de un obturador . S i se emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos en el fondo del taladro. El tesado se produce cuando ya ha fra- guado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocación. Algunas veces se inyecta también el fuste después de tensar el bulón, con lo que se tiene un com- portamiento híbrido activo- pasivo.

BULSF! C;V'i : iJiDA,G.- ( f igura 7.20 y tabla 7.1 1) Dywidag es una marca comercial de anclajes y bulones. En rea- lidad es el mismo bulón de redondo, pero hecho con un

acero especial más resistente en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es por este motivo, más caro y menos usado y su uso queda restringido a casos especiales.

BULONES DE INYECCION - ACERO DYWIDAG

Tuerca con apoyo serniesferico

Barra de anclaje Inyección de mortero de cemento Placa de apoyo

B U L O N DE F I B R A DL v i u ~ 1 0 . - (tabla 7.12) Es idéntico al anterior, salvo que se usa una barra de fibra de vidrio en lugar de una barra de acero. Este tipo de bulón tiene interés porque resiste a tracción incluso más que el acero, pero es rompible mecánicamente, po r lo que se usa en zonas que se han de excavar en fases poster iores de

RESISTENCIA A TRACCIÓN 1.000 MPL~

RESISTENCIA A CORTE 3 15.7 iZ1Pn

MODULO DE ELASTICIDAD 44.000-50.000 MPn

Bulón de cdle inyectc~do

8 ~ ~ j i \ ! DC C A B L E C ; . - (figura 7.21 y tabla 7.1 3). El principio de funcionamiento es el mismo de los bulones de redondo, salvo que se utiliza un cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser in- yectado necesariamente. Es

de utilidad en túneles de gálibo escaso en los que es necesario instalar bulones muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad.

BULÓN DE CABLES

-

\ l E Bulón de cable inyección de mortero de cemento

7.22 y tabla 7.14) Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND. Está const i tuido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducirlo en un taladro de diámetro inferior al

suyo propio, ejerce una fuerza radial sobre la roca que hace que el bulón quede fijado a la misma por rozamiento. Es muy rápido de colocar, pero tiene el inconveniente de que es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. En terrenos de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo.

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SPLlT SET

ALZADO \ \ Tubo de acero con

hendidura longitudinal /

Placa de apoyo Split - Set

Bulón tipo Swellex

Bulonadora (Co ~tesia

Atlas Copco)

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SWELLEX U C L C N Sir i r lLE: : . - (figura 7.23 y tabla 7.1 5) Swellex es una marca comercial de ATLAS- COPCO. Es un bulón hueco, que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presión en su inter ior. Al expandirse rellena todo el taladro y

presiona contra las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria para producir su expansión. Hay en el mercado varios tipos de bulones Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para terrenos expansivos o fluyentes.

-1 c La colocación de los bulones se lleva a cabo en tres fases:

S E ~ L A M - E O . - Se marca en clave y hastiales la posición de los taladros mediante pintura u otro medio. El bulonado en los túneles generalmente es sistemático, aplicando la cuadrícula que figura en los planos. No obstante, puede ser conveniente variar la cuadrícula teórica para adaptarla a la disposición concreta de juntas que se observe en las paredes de roca. De este modo se consiguen fijar las posibles cuñas que pudieran tormarse.

Para conseguir un buen anclaje, es neces con el diámetro de la barra de anclaje y diámetros no supere los 10 mm.

E J E C U C I G N DE 1-05 TALADROS.- LOS taladros se hacen normalmente con el mismo jumbo que se utiliza para la perforación de los barrenos para la voladura en el frente. En túneles que no se excaven mediante explosivos, puede resultar más ventajoso el uso de una bulonadora: que es una máquina muy similar a un jumbo, pero con un solo brazo y de menor tamaño. Por lo demás el funcionamiento es el mismo, y ya se trató suficientemente en el capítulo 6 de este manual (figura 7.24).

ario que el diámetro del taladro guarde relación de los cartuchos, de modo que la diferencia de

CQICEAIIOT;~ G E L B U L G N . - La colocación depende del sistema concreto de bulón que se utilice. Cuando se utilizan cartuchos de resina o de mortero, el bulón ha de introducirse de forma que se rompan los cartuchos y se distribuya su contenido, para lo cual lo ideal es usar el jumbo, acoplando el bulón al adaptador del martillo e introduciéndolo en el taladro con rotación continuada. Esto permite que la resina o mortero quede bien repartida a lo largo de todo el fuste y que, cuando se utiliza resina, se produzca la mezcla adecuada con el catalizador de fraguado. En el resto de los sistemas se aplica el procedimiento recomendado por el fabricante correspondiente descrito en el apartado anterior.

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen una misión resistente de por sí y fundamentalmente en unión al hormigón proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar SU colocación Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas

barras de acero de unión, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de 58 todas las cerchas trabaje solidariamente. En construcción de túneles se usan - normalmente tres tipos de cerchas:

C E ~ C H A S i v - El perfil TH o perfil omega es la sección empleada para este tipo H

de cerchas, muy usadas en minería y construcción de túneles. Las características - mecánicas de los principales perfiles TH son las que se muestran en la tabla 7 16

y figura 7 25 Se emplean por la facilidad que tienen para solaparse por medio de

~!\Js,A,\~os Y C O ~ G T ~ , O L El control principal que se debe llevar sobre el bulonado es cuantitativo: número y posición de los bulones. Para comprobar la calidad de la adherencia del bulón a la roca se emplea el ensayo de arrancamiento. El ensayo de arrancamiento consiste en tirar del bulón ya colocado mediante un gato y medir la fuerza necesaria para arrancarlo, que debe ser superior al mínimo exigido por las prescripciones técnicas de la obra. Generalmente no es necesario arrancar totalmente el bulón, sino únicamente comprobar que resiste hasta la tensión mínima exigida. La finalidad de este ensayo es medir la resistencia de la adherencia acero-roca, no la resistencia del bulón en sí, que es conocida. Se emplea en todo tipo de bulones pasivos. En los activos no es necesario ya que el propio tesado del bulón representa ya una prueba de su resistencia al arrancamiento.

Grapas de unión para

cedas

inconveniente es que el solape se

unas grapas como las que muestran en la figura 7.26, de forma que la longitud de solape se gradúa in-situ para que la cercha ajuste bien al terreno y se adapte a las dimensiones de la excavación, que generalmente son muy variables. C E R C H A S H C B . - Cuando se requieren mayores inercias que las proporcionadas por la cercha TH, se recurre a las cerchas con perfil HEB de tamaños comprendidos entre la HEB-100 y la HEB-180, ya que los perfiles mayores generalmente no pueden ser curvados con los radios habituales en los túneles. En la tabla 7.17 y figura 7.27 se muestran las características mecánicas de las cerchas HEB. Su

efectúa mediante chapa y tornillos con lo que, cualquier variación en las dimensiones del túnel, dificulta la colocación de la cercha y, sobre todo, que ésta se ajuste a la roca.

s especiales 1

Estabilización de la clave

-1 ~ ~ \ ~ T R O D U C ~ ~ O ~ Z . Con el empleo de hormigón proyectado, bulones y, ocasionalmente, cerchas se logra el sostenimiento del túnel prácticamente en todas las calidades de roca. No obstante, cuando se atraviesan zonas donde el terreno es de peor calidad (fallas, presencia abundante de agua, roca muy fracturada, roca alterada, etc.), puede no ser suficiente la utilización de los elementos anteriores, y es necesario recurrir a métodos de sostenimiento complementarios más potentes que son los que se conocen como tratamientos especiales. Los tratamientos especiales se usan de forma puntual, con objeto de atravesar una zona concreta de terreno de mala calidad. Hemos distinguido tres tipos diferenciados según la parte del túnel que es necesario estabilizar: clave, frente o solera. En otro grupo se situarían los tratamientos de consolidación del terreno en sí. A continuación se analizan en profundidad cada uno de ellos.

cuando ésta es inestable y cede al efectuar el avance. Las principales medidas se han E S T A B I F I Z A C I ~ N DE LA CLAVE

resumido en la figura 7.29. Su aplicación es la que se describe a continuación:

Las medidas de estabilización de la clave se utilizan

A - ENFILAJE (Forepiling) B - PARAGUAS DE BULONES (Ligero) O TUBOS (Pesado) L= 3-4 m / a 1 10 mm inyectado s----L=9m '

Son -f 50nT-r u n -4-3m-\

3m Cercha

-----A

C - PARAGUAS DE JET-GROUTING

Columna de iet tiwo I Ligero

Pesado

TUBOS BULONES

ENFILAJE O FOREPILING.- Esta medida consiste en disponer unos bulones en la parte alta del frente inclinados unos 40-45" hacia adelante. Con ello se consiguen coser por delante del frente las cuñas que puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores. Tiene utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada.

PARAGUAS.- El paraguas se usa para atravesar una zona de roca muy fracturada o roca muy alterada, que produce desprendimientos en la clave al efectuar el avance. Consiste en la colocación de elementos lineales paralelos al túnel en toda la corona de éste. Puede tratarse de bulones de redondo de diámetro 32 mm (paraguas ligero) o de tubos huecos inyectados de lechada de diámetro 102-1 50 mm y espesor 3-4 mm (paraguas pesado). El paraguas actúa como una viga, por lo que es necesario apoyarlo en sucesivas cerchas conforme se va avanzando bajo él. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mínimo entre uno y otro de 2 ó 3 metros.

Esta bilizdción

PARAGUAS O CORONA D E JET GROUTING.- Cuando es necesario atravesar una zona suelta (relleno de falla, roca descompuesta,...), se puede tratar todo el contorno del túnel mediante jet-grouting. Con ello se estabiliza el terreno formando un arco y se puede avanzar bajo él. En terreno rocoso este sistema no funciona adecuadamente porque no se forma el cilindro de terreno inyectado en torno a cada perforación de jet.

delicado, ya que debe ser necesariamente provisional y no muy potente, ya que de otro modo impediría un sucesivo avance. Los sistemas más usuales son los mostrados en la

ESTABIL IZACI~N DEL FRENTE

figura 7.30, y se describen a continuación:

En ciertas ocasiones el frente del túnel es inestable, y se

A - MACHON C - SELLADO DEL FRENTE

producen desprendimientos desde éste hacia el interior del túnel. El tratamiento es muy

B - BULONADO DEL FRENTE D - EXCAVACION A MEDIA SECCION

FASE la

FASE lb r MACHÓN c ~ i m - R A L . - Consiste en no excavar el frente vertical en su totalidad, dejando en el centro del mismo un contrafuerte o machón que resista los posibles empujes del terreno del frente. Los hastiales y clave deben quedar en su posición con objeto de poder colocar el sostenimiento.

BULONADO D E L FRENTE.- ES un sistema que proporciona una buena estabilidad del frente, tanto en suelos o rocas alteradas como en rocas fracturadas. Consiste sencillamente en coser el frente con un bulonado largo (L=9 m), preferiblemente utilizando bulones de fibra de vidrio, que son fáciles de excavar posteriormente, con lo que se mejora la estabilidad general del túnel, al impedirse la relajación de la roca por delante del avance.

SELLADO DEL FRENTE.- Consiste en realizar un gunitado del frente con un espesor de 3-5 cm. Con ello se consigue que el terreno no se altere ni se decomprima. También se evita que las entradas de agua puedan lavar las juntas o arrastrar roca suelta, para lo cual deberá realizarse un drenaje del agua en el frente.

E X C A V A C I ~ N A MEDIA S E C C I ~ N . - La medida más eficaz para estabilizar un frente de excavación es reducir su tamaño, pasando a excavar la sección anterior en dos nuevas fases, dejando un desfase mínimo entre ambas de unos 20 metros. La ejecución del túnel se complica al existir más tajos abiertos, lo que exige disponer de más medios y una mejor organización de los trabajos.

Consoliddción del terreno

inferior, de forma que esta deformación puede llegar a partir el sostenimiento por flexión. En la figura 7.31 se muestran posibles actuaciones frente a este problema:

E S T A B I L I Z A C I Q N DE LA SOLERA

A - CONTRABOVEDA

Cuando el terreno no es f i rme y las presiones

C - PATA DE ELEFANTE

horizontales sobre el revestimiento son altas, el túnel tiende a cerrarse por la parte

C O N T R A ~ ~ \ ~ E D ~ , . - Un método eficaz es excavar la solera del túnel con forma de arco y no plana, con lo que se facilita la transmisión de las tensiones horizontales del terreno. Si además se hormigona esta solera curva (contrabóveda), se logra cerrar un ani l lo de hormigón que tiende a tra- bajar a compresión, evitándose de este modo las flexiones.

E U L O i W D O D E wsr D E H,ASTIAL.- ES un sistema menos eficaz que el anterior. Consiste en coser la base del hastial mediante bulones, usando además cerchas. Se consigue de este modo resistir las cargas horizontales que desestabilizan el túnel.

?,ATA D E E L E F A N T E . - La "pata de elefante" es una prolongación recta del sostenimiento tangente al túnel (véase figura 7.31). Se utiliza cuando el terreno de solera es flojo y no puede resistir las cargas verticales que le transmite el hormigón proyectado. Con la pata de elefante se logran dos efectos: por un lado se aumenta la superficie de carga, con lo que, a igualdad de fuerza vertical, la tensión se reduce; por otro, se puede excavar la siguiente fase del túnel sin descalzar el sostenimiento de la fase anterior.

calidad, puede recurrirse a tratamientos de consolidación del terreno. Los más potentes I C O N S S L ~ D A C I ~ ~ \ ? D E L T E R ~ E N O

son la congelación, inyecciones sistemáticas, etc., pero únicamente son de aplicación en terrenos de escasa cohesión, por lo que se salen del alcance de este Manual. En túneles en roca se emplean los dos métodos indicados en la figura 7.32.

iN\!ECCIOI\IES L O C A L I Z A D A S . - Se efectúan inyecciones de lechada de cemento o de

Cuando la roca que se ha de atravesar es de mala

A - INYECCIONES B - DRENAJES

mortero cuando se detectan huecos dentro del macizo rocoso. Los huecos son per- judiciales porque favorecen la afluencia de agua, concentran las tensiones del macizo rocoso en ciertas zonas y dificultan la colocación y el trabajo de los bulones.

D R E N A J E S . - LOS drenajes permiten eliminar las aguas a presión existentes dentro del

macizo rocoso. El efecto más perjudicial del agua en el terreno, es el de favorecer los deslizamientos de cuñas y bloques actuando en las juntas de la roca y disminuyendo la cohesión del relleno de éstas. También se logra gracias a los drenajes concentrar en unos pocos puntos la entrada de agua al túnel, con lo que se facilita enormemente el gunitado y en general todos los trabajos de excavación y sostenimiento.

(1) lnternational Tunnelling Association (ITA): " Shotcrete for Rock Support. Guidelines and Recomendations - A Compilation " , ITA, 1 993.

(2) AFTES - Working Group no 6 - Shotcrete: " Recomendations on Shotcrete Technology and Practice ", AFTES, 1986.

(3) F.G. Bell (Editor): " Engineering in Rock Masses", 1992.

(4) Sika, lmpormaq SA, Bekaert, Aliva & Schwing: "Jornadas Técnicas sobre Hormigón Proyectado por Vía Húmeda " , 1 99 1 .

(5) Marc Vandewalle, Bekaert SA: " Dramix. Tunnelling the World", Bekaert SA, 1991.

(6) Stillborg B.: " Professional Users Handbook for Rock Bolting " , Trans Tech Publications, 1986.

(7) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos", MOPU, 1988.

(8) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "EH-91: Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado", MOPU, 1991.

(9) Recomendaciones de la American Concrete lnstitute (ACI), comité 506 - "Guía del Hormigón Proyectado" - " Recomendaciones Prácticas del Hormigón Proyectado" - "Especificaciones de materiales, dosificación y aplicación"

(1 0) F. G. Bell: "Engineering Treatment of Soils", Chapman & Hall, 1993