DISEÑO DE LA SECCION TIPICA DETUNELES

INTRODUCCIÓNLa mayoría de los túneles se construyenpara salvar un obstáculo natural y permitir elacceso a vías de comunicación paratransporte urbano (metros), transvases yconducciones; o para unir islas o estrechosy para pasos fluviales, en cuyo caso eltrazado se efectúa bajo una lámina de agua.

Para el diseño de un Túnel primero se deberealizar un estudio Geológico – Geotécnico delsector donde se lo proyecta, en esto la mecánicade rocas juega un papel fundamental en laclasificación del macizo rocoso e inclusoestableciendo un prediseño con los elementosnecesarios para el sostenimiento del túnel enfunción a la altura de carga (zona deaflojamiento) después de la excavación, conestos datos ya se podría estimar el costo de laobra tunelera lo cual resulta muy útil para poderver su viabilidad de esta alternativa. Los estudiosgeológicos-geotécnicos son absolutamentenecesarios para poder proyectar y construir una obrasubterránea.

Criterios para el diseño de un Túnel

Las investigaciones geológicas de lostúneles son, en general, más costosas queen otras obras de ingeniería civil. Sinembargo, el no dedicar suficientes medios aestos estudios puede conducir a situacionesimprevistas:

“Cuando el terreno no se investiga, el terreno esun riesgo”.

La inversión adecuada en los estudiosgeológico- geotécnicos depende de lacomplejidad geológica, longitud del túnel,espesor de recubrimientos, etc. y puedellegar al 3 % del presupuesto de la obra;por debajo de este porcentaje aumentan loscasos de túneles con problemas y, porencima los imprevistos son mínimos

Al perforar un túnel se puede encontrar tres tiposde Condiciones Naturales que dan lugar a lapérdida de resistencia del macizo y, por tanto, aproblemas de estabilidad :

1) Orientación desfavorable de discontinuidades.2) Orientación desfavorable de las tensiones con

respecto al eje del túnel.3) Flujo de agua hacia el interior de la excavación

a favor de fracturas, acuíferos o rocascarstificadas.

INFLUENCIA DE LASCONDICIONES GEOLÓGICAS

1) Orientación desfavorables de las discontinuidades

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS

Condiciones naturales de inestabilidad enexcavaciones de túneles en roca

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICAS

2) Orientación desfavorables de tensiones

Condiciones naturales de inestabilidad enexcavaciones de túneles en roca

3) Filtraciones hacia el interior de la excavación

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES GEOLÓGICASCondiciones naturales de inestabilidad en excavaciones de

túneles en roca

LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES COMPRENDE LASSIGUIENTES FASES:

Excavación y limpieza.La primera de las fases consiste en la excavación del

túnel en la que se retira el material de la traza del túnelcon una sección bruta igual a la sección neta del túnel.Sostenimiento.El sostenimiento del túnel consiste en la colocación de

una estructura que evite el colapso de las tierras reciénexcavadas. Dependiendo del tipo de material, puede noser necesario.

Revestimiento.Consiste en el cubrimiento del sostenimiento de la estructura, proporcionando el acabado final a lasuperficie del túnel.Instalaciones.Por último, se ejecutan las instalaciones que sirven para la explotación del tráfico durante la vida útilde la estructura. En estas instalaciones se incluyen la iluminación, en caso de ser necesaria, lossistemas de ventilación, las instalaciones de gestión del tráfico, los equipos de lucha contra incendios,la señalización y los sistemas de seguridad vial.

¿Qué es sostenimiento?

Se entiende por sostenimiento al conjuntode Procedimientos que permitenmantener las cavidades que se formancomo resultado de la explotación de losrecursos Minerales y mantener segurodurante el tiempo que se desee.

¿Por qué es importante elsostenimiento?

El sostenimiento en minería subterránea es muyimportante ya que por naturaleza del trabajo todalabor que se hace en el interior de la mina serealiza en espacios vacíos, inestabilizados productode la rotura de la roca o mineral extraído; paralograr que se mantenga nuevamente estable y encondiciones de trabajarla la zona debe redistribuirsus fuerzas para ello es necesario apoyarinmediatamente con el refuerzo o sostenimientoadecuado, considerando el tipo de rocas, fallas derelleno, fallas abiertas etc.

Tipos de sostenimiento:

Los sostenimientos en una labor pueden serpasivos y/o activos,

Dentro de los pasivos tenemos:mallas, cimbras, cuadros de madera, shotcret(concreto lanzado) gatas hidráulicas(sostenimiento temporal), puntales de madera.

Dentro de los activos:son todos aquellos que están directamentedentro del macizo rocoso como: pernoscementados, split set, cables bolting, pernoshelicoidales.

El revestimiento se coloca con posterioridad alsostenimiento y consiste en aplicar sobre dichosostenimiento una capa de hormigón, u otroselementos estructurales, con el fin deproporcionar resistencia a largo plazo al túnel ydar un acabado regular, mejorando sufuncionalidad (condiciones aerodinámicas,impermeabilidad, luminosidad, albergarInstalaciones y propiciar la estética de la obra).

REVESTIMIENTO

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Diagramas típicos de excavaciones, de acuerdo alobjetivo y uso que se le de.

a. Perfil circular. Hidráulico

b. Perfil doble circulo. Hidráulico

c. Perfil curvo con piso recto tipo herradura. Hidráulico/vial

d. Perfil nórdico tipo baúl. Minería/hidráulico

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e. Perfil rectangular. exploratorio

f. Perfil trapezoidal. minería

g. Doble conducto. Vial

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h. Conductos gemelos. viali. Dos niveles con piso de trabajo. vial

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SECCIONES TIPICAS DE TUNELES Y SUSDENOMINACIONES

PROCESO CONSTRUCTIVO (DEMOLICIÓN Y EXCAVACIONES)

La ejecución se puede dividir endos fases bien diferenciadas, laconstrucción de la contrabóvedacircular y la construcción delrevestimiento en bóveda.La situación de partida para laconstrucción de la contrabóvedaen los tres túneles ha sido unasolera plana de hormigónarmado, así pues la primeraoperación necesaria es lademolición de la misma de modoque pueda comenzarse laexcavación.

Como paso previo a la excavaciónde la contrabóveda es necesarioasegurar el apoyo de losrevestimientos o sostenimientospreexistentes, de modo que no sevean afectados por lasoperaciones de excavaciónmientras éstas duren.Con ese objeto se han anclado alterreno dichos elementos mediantebulones, ejecutados en loshastiales.Una vez asegurados losrevestimientos, se comienzan lasoperaciones de excavación,siempremediante martillo neumático orozadora pese a la dureza delmaterial, con el fin de no provocarmayor fracturación en el macizo.

La excavación hasta seccióncircular se realiza en dos fases, conel objeto de minimizar la alteraciónde la roca que deberá estar encontacto con la contrabóveda. En laprimera de ellas se pica y retiramaterial hasta dejar una excavaciónen forma de artesa. De esta formaes posible realizar una parte de lostrabajos sin descubrir los materialesque formarán el perfil de excavacióndefinitivo, por tanto se evita sudesecación y consiguientealteración y se minimizan loscambios en su estado tensional.

Con el mínimo retrasorespecto a la primera fasese procede a lasoperaciones de refinado delmacizo hasta la seccióncircular definitiva. En estasoperaciones se empleanmartillos neumáticos y/orozadoras, tratando deobtener el perfil adecuadocon la mínima afección.

Inmediatamente despuésde concluido el refino seprocede al sellado deltramo excavado mediantehormigón proyectado confibras. Esta capa tiene lafunción de evitar cambiosde humedad en el macizo,que podrían provocaralteraciones en la roca,además de sostener laexcavación realizada.

TÚNELES DE MONTBLANC

TÚNELES DE MONTBLANC

Túnel de carretera

SECCIONES TIPICAS DE TUNELES Y SUSDENOMINACIONES

Túnel Ferroviario

SECCIONES TIPICAS DE TUNELES Y SUSDENOMINACIONES

TÚNEL1) Cuando la pendiente transversal del terreno es elevada (mayor de 45%) y el material no permite

asegurar la estabilidad del canal.

2) El túnel de conducción de una PCH a filo de agua trabaja a presión atmosférica, simulando un canalabierto.

3) El túnel debe mantener la pendiente del canal y seguir la distancia más corta la cual se verá alteradapor las condiciones topográficas, geológicas y geomorfológicas del terreno.

4) La forma de la sección del túnel debe ser tal que su área permita la circulación del caudal máximo yresista las presiones, las cuales determinan la forma de sección y el tipo de revestimiento del túnel.

5) Los túneles pueden tener forma circular, de herradura o de baúl. La forma circular garantiza el áreaóptima, pero es de difícil construcción; la forma de baúl es más sencilla de construir.

Características de túnel tipo baúl

Las dimensiones de los túneles deben garantizar lafacilidad de su construcción. El ancho y tipo de túneldependerá de las necesidades del proyecto, establecidospor criterios como el caudal y la velocidad. Según laexperiencia se puede recomendar algunos anchos quefuncionan hidráulicamente:

Anchos recomendados para túneles

Ancho Tipo de túnel

1.8 metros Para sección baúl

2 metros Para sección herradura

2.2 metros Para sección circular

EJEMPLO DE DISEÑO DEL TÚNELa) El túnel estará totalmente revestido en hormigón y tendrá una

velocidad máxima permitida.b) Considerando que la conducción es revestida en hormigón,

pero que presentará asperezas.c) Se selecciona un gradiente para el canal.

d) Esta velocidad es menor que la velocidad máxima permitida,indicando que las dimensiones del túnel son las adecuadas. Sinembargo, con estas medidas su construcción es un tanto difícil, por locual se hace necesario que el diseñador decida si las aumenta.

e) Cuando el terreno es pantanoso y los cauces de quebradasconstituyen un problema agudo, el uso de una tubería semejantepodrá evitar gastos de construcción inconvenientes.

f) La selección de alternativas de menor costo que cumplan losrequerimientos económicos, están orientadas a reducir la longitud dela conducción por medio de túneles, sifones, rellenos u otro tipo deobras. Así que debe considerarse que los túneles se construyen cuandorepresentan una solución más económica o más estable que un canalabierto.

g) El túnel es una alternativa técnica cuando el terreno no es estable,por ello se busca con él encontrar un terreno más firme. Con esto sereduce el costo por longitud y por sección debido al aumento dependiente.

Túnel Trasandino Kovire

Es vital para Tacna. Está ubicado en el distrito de Ticaco,provincia de Tarata, a una altitud de 4,400 metros sobre elnivel del mar.

Permite derivar una parte de las aguas del río Ancoaquehacia la laguna de Aricota (para la producción deelectricidad), hacia la ciudad de Ite (para elabastecimiento de agua potable) y para la irrigación de 7mil hectáreas de las Lomas de Sama-Ite.

Es un túnel revestido de concreto, de sección tipo baúl.

Tiene 8,433 metros de largo, 2.40 de ancho, 2.70 de altura,5.86 m2 de sección libre revestida, y una pendiente de2/1000. Posee una capacidad máxima de conducción de 13.2

m3/segundo. Trasvasa un caudal promedio de entre 1 a 5m3/segundo en épocas de lluvias y de menos de 0.10m3/segundo en épocas de estiaje. Fue construido por la empresa Graña y Montero, habiendo

quedado concluido en 1994.

Los túneles se caracterizan por su trazado ysección,

definidos por criterios geométricos de gálibo,pendiente, radio de curvatura y otras

consideraciones de proyecto. Bajo el punto devista

de la ingeniería geológica los datos mássignificativos son la sección, perfil longitudinal,trazado, pendientes, situación de excavaciones

adyacentes, boquillas y accesos intermedios.

EN LA MINERIA , TRANSPORTE Y FERROCARRILES.Los túneles se empezaron a diseñar y construir en las minas y mástarde para simplificar el trazado de las carreteras y de las vías delmetro y del ferrocarril. Con los métodos tradicionalessólo se conseguían perforaciones por partes, mientras que lossistemas modernos excavan por completo todas las dimensionesnecesarias para el túnel.

La intención del diseño de túneles viales es mejorarsubstancialmente las condiciones de tráfico de la red vial, a la vezque reducirá los costos operativos de los usuarios, los índicesde congestión, accidentes de transito, consumo de combustibles,disminuyendo el tiempo de recorrido y demás aspectossocioeconómicos y ambientales de la cuidad.

TopografíaGeología yGeotecniaDiseño de lostúnelesDiseño enlaces

vialesImpacto ambiental

Instalaciones en lostúnelesEstudioscomplementarios

TopografíaGeología y GeotecniaVialImpacto AmbientalActividades y accionesde ejecución yoperación delproyecto. EstructuralEstudioscomplementariosIluminaciónDrenajecostos y Presupuesto

La siguiente figura muestra detalles de la sección transversal típica utilizadaen los diseños viales de cada túnel.

Diseño de un túnel hidráulicoLos túneles hidráulicos, lógicamente, son aquellos destinados a conducir agua.Esta definición, aunque parezca una obviedad, pone de relieve el hecho, conducir agua, que losconfiere su singularidad.

Existe una amplia variedad en cuanto a su uso:- Aprovechamiento hidroeléctrico. -- Abastecimiento de agua.- Riego.- Saneamiento.- Drenaje, evacuación de tormentas, etc.En lo que respecta a sus condiciones hidráulicas, pueden ser a presión o de lámina libre.La necesidad de abastecerse de agua y/o de drenar zonas para otro uso hizo que. desde

la más remota antigüedad, el hombre prestase especial atención a este tipo de túnel

En la Fig. 1 pueden verse las formas mas usuales. En discontinuo se ha representado la forma circularinterior. En ocasiones, es conveniente recurrir a una forma circular, o próxima a ésta, por motivosestructurales, como Se verá más adelante. • '. ' . :

Diseño de túneles hidráulicos

En rocas masivas, poco diaclasadas,este problema no es importante.

So conocen ejemplos espectaculares, con túnelesexcavados en macizos muy diaclasados y/o fallados,donde el paso del túnel ha secado pozos y fuentes. Engeneral, éstos se restablecen una vez se reviste el túnel.

• Factores importantesEl medio de excavación': sise emplean máquinastuneladoras, serán circulares.Integridad del túnelImpermeabilidadRevestimientoConductividad hidráulicaDiscontinuidadesMateriales expansivosNivel freático

Las secciones herradura poseen más áreahidráulica en la parte inferior que la circular y porende, mayor capacidad de conducción. Pueden serferroviarias, de automóviles, La sección de túnel enmina, túneles de desvío de aguas, etc.

Una sección típica de herradura paraun túnel de dos carriles

• En terrenos de tipo medio, la sección suele ser en forma de herradura.La base de los hastiales suele adoptar la forma de “pata de elefante”para evitar tensiones demasiado elevadas en los apoyos ydesplazamientos hacia el interior de .la sección a causa del empuje .horizontal del terreno.

Fig. Sección en herradura

• Es necesario que tenga una pendiente longitudinal por tratarse de untúnel para conducir agua, debe tener un revestimiento de hormigón quecorresponde a la sección hidráulica con un determinado ancho basal,también debe tener una altura de muro de hormigón.

• El sistema actualmente consiste en captar .y conducir las de aguas del río hacia una .tubería.

• La ausencia de solera o contrabóveda, permite enormes deformaciones, concierre de hastíales en unos casos y levantamiento del fondo en otros(expansión y descompresión en otros casos), a lo largo de los años .

• DISEÑO DE TUNEL FORMA CUADRADA

TOPOGRAFIA EN EL DISEÑO DE TUNELES

• CONCLUSIONES:

Estudios geológicosEstudios geotécnicosEstudios hidráulicos* El sostenimiento de las labores es un trabajo adicional de alto costo que reduce la velocidad deavance y/o producción pero que a la vez es un proceso esencial para proteger de accidentes alpersonal y al equipo.* El soporte activo es de menor magnitud que el pasivo debido a que se utiliza la capacidad deauto sostenimiento de la roca mientras que en el soporte pasivo se tiene todo el pesogravitacional de la roca.* El perno de anclaje reúne las condiciones de soporte activo.* En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema activo mientras que el soporte esuno pasivo.* La durabilidad del Shotcrete frente a condiciones climáticas de congelamiento,descongelamiento en pruebas de laboratorio y en las labores mineras generalmente han sidobuenas; sin embargo, se pueden presentar problemas aún con el mejor Shotcrete cuando seaplica a una roca extremadamente a excepcionalmente mala, para esto se debe considerar lostiempos de auto-soporte, span y la aplicación del shotcrete.* La utilización del Shotcrete reforzado con fibras metálicas a permitido reemplazar a loselementos de sostenimiento tradicionales como a los cuadros de madera, cimbras metálicas,arcos noruegos y otros.

SERVICIOS QUE SE REQUIEREN EN LACONSTRUCCIÓN DE UN TÚNELDiseño de los servicios que se requieren en la construcción de un túnel: tuberías para aírecomprimido, tuberías para agua, ductos de ventilación, cables de energía eléctrica einstalaciones para comunicación, etc.

VENTILACIONORIGEN DE LOS GASES DE MINA

USO DE EXPLOSIVOS

• Toda voladura origina, en mayor o en menor grado, gases tóxicosproducidos por las diversas reacciones químicas que ocurren durante unaexplosión. El uso del ANFO, por ejemplo, genera diversos óxidos denitrógeno los mismos que aún en bajas concentraciones pueden resultarde necesidad mortal.

Diseño de los servicios que se requieren en laconstrucción de un túnel: tuberías para aírecomprimido, tuberías para agua, ductos deventilación, cables de energía eléctrica einstalaciones para comunicación, etc.

MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA

• Pueden liberar gran cantidad de contaminantes, como el NOx, CO, etc., yesto es mayormente por la falta de mantenimiento o por la altitud en la cualesta la maquina.

GASES DE ESTRATOS• Son gases que existen dentro de las estructuras rocosas del yacimiento y

que, al entrar en contacto con una labor minera, pueden producir grandesconcentraciones de gases tóxicos.

RESPIRACION HUMANA

• Cada persona exhala anhídrido carbónico (CO2) y si realiza una actividad física intensala cantidad de anhídrido carbónico producida será mayor.

DISTRIBUCION ESQUEMATICA DE LOS GASES POR SU DENSIDAD

(AMBIENTE SIN VENTILACION)