View
54
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Sostenimiento en tuneles
Citation preview
pág. 1
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
CAPITULO 1: TENSIONES EN TORNO A EXCAVACIONES
Introducción:
A la hora de plantear la construcción de un túnel, necesitamos conocer el estado de
tensiones al que se encuentra sometido el terreno objeto de la excavación. Hemos de tener
en cuenta que la construcción de un túnel, modifica el estado de tensiones, de manera que
se genera un desequilibrio en el momento de abrir la excavación y que dicho desequilibrio
puede provocar que el terreno colapse entorno al túnel.
Necesitamos, por tanto, algún método o técnica que nos permita determinar a qué
tensiones se encuentra sometido el terreno.
Estudiaremos las maneras de obtener dicho estado de tensiones para, posteriormente,
poder calcular-proyectar un tipo de sostenimiento acorde con las características de la
litología que encontremos a lo largo de la traza del túnel.
Estado de tensiones in situ
Para empezar, podemos plantear dos maneras de obtener el estado de tensiones de forma
sencilla:
I. Una primera hipótesis sería asumir que la deformación lateral es nula. Si asumimos que
no existe deformación en el plano perpendicular al eje de gravedad se tiene que:
Esto nos conduce a que las tensiones σx, σy las podamos hallar a partir de σz:
Siendo:
Donde Lamentablemente, esta hipótesis no da muy buen resultado.
pág. 2
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
II. Por otro lado, podemos establecer una segunda hipótesis: podemos asumir
recubrimientos muy fuertes (debido al confinamiento) que conducen a estados de tensiones
hidrostáticos en los que no se admiten tensiones tangenciales:
Esta hipótesis se afianza a medida que aumenta la profundidad. Pero, la mayoría de los
túneles que se proyectan y llevan a cabo se sitúan en profundidades inferiores a 500 m.
Luego, ninguna de las dos hipótesis expuestas se ajusta a la realidad. En consecuencia, la manera que
tendremos de obtener el estado de tensiones será a partir de medidas realizadas “in situ” con las
diferentes técnicas conocidas.
Dicho razonamiento se refuerza a partir de distintos estudios de entre los que cabe destacar la
aportación realizada por el Dr. Evert Hoek. Hoek reunió información correspondiente a estados de
tensiones obtenidos para túneles en roca de proyectos de distinta índole realizados a escala global,
e intentó hallar una relación entre dichos estados y la profundidad a la que se encontraba la
excavación. Los resultados que obtuvo fueron los siguientes (ver Fig. 01 y 02):
Figura 01. Variación de K con la profundidad (Hoek & Brown)
pág. 3
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 02. Tensión vertical frente a profundidad (Hoek & Brown)
De la observación de la Fig. 43 podemos deducir que el grado de incertidumbre que existe a
la hora de determinar el coeficiente K (que nos permite hallar σH a partir de σZ) es
notablemente mayor en zonas someras (< 500 m) que en zonas profundas. En las primeras,
K puede oscilar desde algo menos de la unidad hasta 3 o 3.5 veces (hecho que sorprende
para rocas). No se puede decir, por tanto, que siga un criterio definido. Consecuentemente,
los valores de las tensiones pueden ser significativamente diferentes.
Por otro lado, dicha figura ratifica el hecho de que al incrementarse la profundidad el rango
de valores que puede adquirir K se estrecha reduciéndose a valores que se mueven entre 0.5
y 1. (estado de tensiones hidrostático).
pág. 4
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
De la Fig. 02 se desprende la idea de que existe una cierta correlación entre profundidad y tensión
vertical:
Siendo γ=20‐30kN. Pero, a profundidades bajas se observa una gran dispersión que puede deberse a
distintos factores, como la precisión de los aparatos de medida o el grado de tectonización padecido
por los materiales.
En definitiva, no hay una teoría fiable a la que recurrir para determinar los estados de tensiones: para
obras importantes hay que medirlas.
Estado de tensiones y resistencia de macizos rocosos
El problema de hallar el estado de tensiones entorno a una cavidad abierta de forma artificial
como es un túnel, ha hecho que sean numerosos los autores interesados en encontrar
soluciones ha dicho problema. De todas las posibilidades que presenta este reto, la más
sencilla de todas, y que simplifica enormemente los cálculos es la de resolver este problema
analíticamente suponiendo medio elástico e isótropo, túnel profundo, de sección circular y
en deformación plana. Así, asumiendo dichas condiciones se obtiene la siguiente solución
para el problema propuesto:
Figura 03. Solución para al problema descrito (Hoek & Brown)
pág. 5
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Como se puede apreciar, la solución obtenida es independiente de las constantes elásticas y
del tamaño de la excavación. En otras palabras, es indiferente excavar el túnel en una
litología o en otra y no importa si el diámetro de la cavidad es de pequeño o de gran
diámetro.
Evidentemente, este resultado es del todo inaceptable desde un punto de vista ingenieril,
pues la experiencia nos ha demostrado que en realidad esto no es así.
Pero, lo interesante de todo este razonamiento no es la solución en sí, sino lo que se
desprende de ella.
En primera aproximación, da una idea de que las tensiones no están controladas por las
características del material sino por la geometría del túnel. Este hecho, que aparentemente
es irrelevante, resulta de vital importancia y nos será muy útil a la hora de proyectar un
sostenimiento.
En los ejemplos que se exponen a continuación, se puede apreciar para el caso elástico cómo
mejoran o empeoran los estados de tensiones al adaptar la geometría del túnel sin modificar
las características descritas anteriormente.
Como se puede apreciar, la solución obtenida es independiente de las constantes elásticas y
del tamaño de la excavación. En otras palabras, es indiferente excavar el túnel en una
litología o en otra y no importa si el diámetro de la cavidad es de pequeño o de gran
diámetro.
Evidentemente, este resultado es del todo inaceptable desde un punto de vista ingenieril,
pues la experiencia nos ha demostrado que en realidad esto no es así.
Pero, lo interesante de todo este razonamiento no es la solución en sí, sino lo que se
desprende de ella.
En primera aproximación, da una idea de que las tensiones no están controladas por las
características del material sino por la geometría del túnel. Este hecho, que aparentemente
es irrelevante, resulta de vital importancia y nos será muy útil a la hora de proyectar un
sostenimiento.
En los ejemplos que se exponen a continuación, se puede apreciar para el caso elástico cómo
mejoran o empeoran los estados de tensiones al adaptar la geometría del túnel sin modificar
las características descritas anteriormente.
pág. 6
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 04. Estado de tensiones principales y líneas de corriente entorno a una cavidad circular excavada en medio elástico para K = 0.5. Las líneas de trazo continuo representan las tensiones principales mayores y las de trazo discontinuo las menores (Hoek & Brown).
pág. 7
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 05. Influencia de la geometría sobre el estado de tensiones. Comparación entre el circular y los restantes para K = 0 (Hoek & Brown)
pág. 8
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
En la Fig. 04 se constata lo que habíamos visto con anterioridad. La zona que soporta
mayores tensiones son los hastiales del túnel. En esta imagen se puede apreciar muy bien
como el túnel actúa como un concentrador de tensiones (ver líneas de corriente).
En la Fig. 05 se aprecia como en función de la disposición entre los semiejes mayores de la
elipse y la tensión principal mayor, los estados de tensiones son unos u otros. Así, para el
primer caso se observa una mejora del estado de tensiones en clave, respecto del estado
que soportaría en el caso de geometría circular. Por el contrario, para el último caso (elipse
con semieje mayor dispuesto horizontalmente) los estados de tensiones inducidos son
pésimos ya que en clave se incrementa la tensión en dos unidades con referencia al caso
circular, generando un importante gradiente entre clave y hastiales.
Figura 06. Geometría típica para túneles de alcantarillado y túneles de carretera o ferrocarril respectivamente (Hoek & Brown)
pág. 9
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
La Fig. 06 nos muestra dos tipos de secciones de excavación bastante usuales. La primera
corresponde a secciones de tipo alcantarillado. En ella se aprecia como las zonas donde
existe mayor concentración de tensiones es en los vértices inferiores y la bóveda; sobretodo
los primeros.
La otra sección, en forma de herradura, es más común y actual. Suele utilizarse en obras
lineales sobretodo carreteras y ferrocarril. También en este caso, las tensiones mayores se
concentran en la confluencia de los hastiales con la contrabóveda.
De esta manera tenemos una idea de cómo confluyen las líneas de corriente y podemos
reforzar dichas zonas a la hora de diseñar el sostenimiento.
Figura 07. Geometría “ideal” en función de los estados de tensiones en clave y hastiales
respectivamente.
En la Fig. 07 se ha representado el comportamiento de la tensión circunferencial en función
de la geometría y los esfuerzos. Si superpusiéramos ambos gráficos encontraríamos la
sección óptima (estado de tensiones en el contorno uniforme) para los valores de K.
Dado que la geometría va a ser importante nos interesará conocer, para un caso concreto
(por ejemplo: sección circular), cómo es el estado de tensiones entorno al túnel, si son
tensiones de compresión o de tracción, de qué magnitud, etc. Para ello, utilizaremos las
pág. 10
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
soluciones del problema inicial propuesto y particularizaremos para los puntos situados en
clave, contrabóveda y hastiales.
Figura 08. Problema propuesto
El motivo por el cual tomamos dichos puntos y no otros se justifica porque facilitan los
cálculos y por otro lado, como veremos más adelante, es justamente en el contorno del túnel
donde se adquieren los estados de tensiones más desfavorables (ver Fig. 09 caso genérico
para K = 0). En esta figura se ponen de manifiesto dos factores:
• El primero es que en clave se generan tensiones circunferenciales de tracción, mientras
que en el hastial dichos esfuerzos son de compresión. Este hecho debe preocuparnos, pues
nos interesa, como veremos más adelante, que los estados de tensiones sean “homogéneos”
y de compresión en todo el contorno.
• El segundo y no menos importante es que el estado de tensiones justo en el contorno de
la
excavación es el más desfavorable (τ’s máximas), es decir, es la parte del terreno más
susceptible de que rompa. Además hay que añadir que a medida que nos adentramos en el
macizo rocoso los esfuerzos de corte decrecen, mejorándose la estabilidad.
pág. 11
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 09. Representación del estado de tensiones en clave y hastial derecho para el túnel descrito utilizando la solución de la Fig. 3 y siendo K = 0.
Llegados a este punto, la pregunta que cabe hacerse es de qué manera se puede determinar
la frontera entre esfuerzos de compresión y de tracción. Ésta se puede obtener de forma
sencilla particularizando las ecuaciones de la Fig. 03 para r = a. Al imponer esta condición, la
única tensión distinta de cero será:
La tensión radial y de corte serán iguales a cero. Si damos valores al ángulo que
corresponde a la clave y contrabóveda (θ = 0º y 180º respectivamente) del túnel y a los dos
hastiales (90º y 270º) se tiene que:
A partir de la primera ecuación e igualándola a cero, se deduce el valor de K que hace que
la tensión circunferencial sea nula y por tanto, que marca el límite entre las tensiones de
tracción y compresión. Ese valor no es otro que K = 1/3.
De esta manera se deduce que:
• Si K > 0.33 entonces: σθ siempre será de compresión en todo el contorno (añadiendo que
el valor de K< 3, que vendría deducido de igualar a cero la última ecuación.
• Si K < 0.33 aparecen tracciones.
pág. 12
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Otras soluciones elásticas conocidas son:
pág. 13
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
En definitiva, podemos adaptar la forma de la sección de excavación al estado de tensiones
pero a la práctica nadie diseña así los túneles. Quizá para un caso muy concreto podría
llevarse a cabo, pero carece de sentido el ir modificando la sección en función de las
características de las litologías que vamos atravesando.
pág. 14
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
I- Introducción:
Se acepta que fue Terzaghi (1946) quien propuso la primera clasificación del terreno
orientada a la construcción de túneles. Sus datos provenían de túneles sostenidos
fundamentalmente por cerchas metálicas. A partir de los años 50 fue generalizándose la
utilización del bulonado y el hormigón proyectado en la construcción de túneles para usos
civiles. La clasificación de Lauffer de 1958 refleja perfectamente el uso combinado de
cerchas, bulonado y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta
clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método Austriaco
(NATM) en Centroeuropa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra
y es poco práctica en las fases de proyecto y anteproyecto.
Las que podemos denominar clasificaciones modernas (Sistema RMR (Bieniawski) y Q
(Barton) intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar
atributos del macizo rocoso (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único
relacionado con la calidad global de la roca. A su vez, este número permite, a través de la
experiencia recogida en su utilización en casos reales, la definición de un sostenimiento del
túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia del macizo rocoso,
tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc.)
Las clasificaciones geomecánicas están adaptadas a los macizos rocosos (como
contraposición a los suelos). La transición suelo-roca es siempre difusa. El término "roca
blanda", bastante generalizado, define esta transición. La resistencia a compresión simple, o
de la roca intacta, proporciona un criterio utilizado por muchos autores, para clasificar la
roca (Fig.1). Los criterios son dispares pero en general se acepta que resistencias inferiores
a 1 MPa son ya típicas de los suelos.
En este capítulo se describen las clasificaciones "antiguas", las que podemos denominar
"modernas", se exponen las recomendaciones de todas ellas para el sostenimiento de
túneles y se mencionan las críticas que han recibido. A lo largo del tiempo, alguna de estas
clasificaciones ha recibido pequeños cambios en algún aspecto.
CAPITULO 2: SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS CLASIFICACIONES
GEOMECÁNICAS
pág. 15
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Las descripciones y tablas que aquí se recogen corresponden aproximadamente a las
versiones en uso a finales de los 80. Las clasificaciones de Bieniawski (RMR) y Barton (Q) son
de los años 1973 y 1974 respectivamente y el resto fueron propuestas en fechas anteriores
1. CLASIFICACIONES ANTIGUAS
1.1. Terzaghi (1946)
Terzaghi clasifica el terreno en diez categorías y proporciona la "carga de roca" o tensión
vertical que soportarían las cerchas de sostenimiento de un túnel construido por
procedimientos tradicionales. Refleja la práctica habitual de los años 1930-1970 en
Norteamérica. Los conceptos de Terzaghi en relación con el comportamiento del terreno
están sintetizados en la Fig. 10. La clasificación original fue modificada por Deere et al (1970)
y se recoge en la Fig. 12.
Crítica: Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de
túneles en roca que hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La
clasificación de la roca es poco objetivable.
Fig.10. Esquema de Terzaghi
pág. 16
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 11. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi
pág. 17
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
.
1.2. Lauffer
Basó su clasificación en los trabajos de la "Escuela Austriaca" que condujeron a la
introducción del NATM. Introdujo el concepto de tiempo de estabilidad de la excavación
para una luz o dimensión libre sin sostener. Es la relación entre ambas variables (luz
libre y tiempo de estabilidad) la que permite establecer siete categorías de roca (Fig.3).
Fig. 12. Tiempo de estabilidad de la excavación VS longitud libre
pág. 18
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
La roca no se clasifica a partir de datos geológicos o geotécnicos sino a partir de su
respuesta frente a la construcción de una excavación subterránea. Requiere, pues,
experiencia previa o datos de la propia excavación. A partir de esta clasificación,
Rabcewicz y Müller sintetizaron los métodos de excavación y sostenimiento de acuerdo
con su experiencia en la aplicación del NATM. (Fig. 13).
Crítica: La clasificación no responde a datos objetivos de los macizos rocosos.
Difícilmente utilizable en la fase de proyecto. Parece excesivamente conservadora
(Barton, 1988).
pág. 19
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 13. Clasificación Rabcewic, Müller
pág. 20
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
2.3. Deere et al (1967)
A partir de la definición del índice de calidad de roca RQD propuesto por Deere en 1964, se
propone una simple clasificación de la calidad de la roca en 5 categorías. La definición de
RQD, la clasificación de la roca, la relación entre el "Factor de Carga" de Terzaghi y RQD
(propuesta por Cording et al, 1972) y la propuesta de Merrit (1972) para decidir el tipo de
sostenimiento en función del RQD aparecen en la Fig. 14.
Fig. 14. Obtención del RQD. Relación factor de carga de Terzaghi-RQD. Relación RQD-Luz y Túnel-Tipo de sostenimiento
Deere et al (1970) hicieron una serie de recomendaciones para el sostenimiento de túneles
en función del RQD (Fig. 15). La novedad de esta propuesta es que introducen como método
alternativo al tradicional (explosivos) la utilización de máquinas tuneladoras o topos (TBM).
pág. 21
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 15. Tabla que relaciona el RQD-Método de excavación-Sistemas de soporte alternativos
pág. 22
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Crítica: El índice RQD forma parte de otros sistemas más elaborados de clasificación
(RMR, Q) pero en sí mismo es insuficiente para describir el macizo rocoso. No tiene en
cuenta, por ejemplo, la influencia del relleno de juntas, ni su orientación, ni la presencia
de agua o su presión. Por otra parte, en "rocas blandas" masivas el RQD puede
aproximarse a 100, aunque la calidad de la roca sea mediocre de cara a la construcción
de túneles.
2.4. RSR (Rock Structure Ratio) (Wickham, Tiedemann and Skinner, 1972)
La propuesta del índice RSR en 1972 fue un avance importante en la clasificación de
macizos rocosos. Por primera vez se construía un índice a partir de datos cuantitativos
de la roca. Era pues, un sistema completo con menos influencia de aspectos subjetivos.
Se calculaba sumando tres contribuciones (A, B y C) relacionados con aspectos
geológicos generales (A), fracturación y dirección del avance (B) y condiciones de agua
y de las juntas (C). Se resume en las tablas de la Fig. 16. Estas tablas no corresponden a
la clasificación original (1972) sino a la versión actualizada de 1974 tal y como la recoge
Bieniawski (1984).
Este índice y las recomendaciones para el sostenimiento se basaron fundamentalmente
en túneles sostenidos mediante cerchas. Los autores resumieron en gráficos
correspondientes a diferentes diámetros de túnel el sostenimiento necesario para cada
valor de RSR (ver Fig. 17 para un túnel de 4.27 m (14') de luz (Skinner, 1988).
pág. 24
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 17. Sostenimiento necesario para cada valor de RSR
Crítica: Sesgado hacia el sostenimiento mediante cerchas. Pero fue un trabajo
pionero similar al desarrollo posteriormente en relación con los sistemas RMR y 0-
3. CLASIFICACIONES MODERNAS
3.1.Sistema RMR (Bieniawski 1973, 1989)
En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez
función de:
• la resistencia a compresión simple de la roca matriz
• RQD
• espaciamiento de las discontinuidades
• condición de las discontinuidades
• condición del agua
• orientación de las discontinuidades
El sistema RMR está sintetizado en la Fig. 18 (sistema básico). Una vez que se obtiene el
RMR básico (un número entre 0 y 100), Bieniawski propone ajustarlo en función de la
relación entre la orientación del túnel y de las discontinuidades (cuadro B
pág. 25
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
De la Fig.18). La definición de las condiciones "muy favorables" a "muy desfavorables"
aparece en la última Tabla de esta Figura según unas recomendaciones inicialmente
propuestas en el sistema RSR. La clasificación RMR proporciona también la calidad global
de la roca, que se agrupa en cinco categorías (cuadro C de la Fig. 18) y una indicación del
tiempo de estabilidad de una excavación libre (concepto original de Lauffer) de la
cohesión de la roca y de su ángulo de fricción (cuadro D de la Fig. 10).
A partir del índice RMR es posible obtener:
1. Una idea del tiempo de estabilidad de excavaciones sin soporte (Fig.09).
2. Unas recomendaciones para el sostenimiento en túneles de forma de arco de
herradura 10 m de ancho, construidos por el sistema convencional (voladura)
siempre que la presión vertical sea inferior a 25 MPa (250 kg/cm2) equivalente a
un recubrimiento de 100 m y asumiendo una y = 2.7 T/m3 ; aV = 27 kg/cm2
(Fig.13)
pág. 26
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
A. clasificación y rangos de valores
Parametro Rango de valores.
1
Resistencia
de la roca
inalterada
Indices de carga
puntual
>10 MPa 4-10>MPa 2-4 MPa 1-2 MPa Para esta escala tan
baja se prefiere la
prueba de la
Resistencia a la
compresión uniaxial.
Resist. a la
compresión
uniaxial
>250MPa 100-250
MPa
50-100 MPa 25-50 MPa 5-25
MPa
1-5
MPa
<1
MPa
Valores 15 12 7 4 2 1 0
2 Calidad de la base del taladro
RQD
90%-100% 75%-90% 50%-75% 25%-50% <25%
Rating 20 17 13 8 3
3 Espaciamiento de juntas >2m 0.6-2 m 200-600mm 60-200mm <60mm
Valores 20 15 10 8 5
4 Condición de
discontinuidades (see E)
Superficie
muy rugosa,
sin
continuidad,
sin
separación.
Paredes de
roca dura
Superficie
algo
rugosa,
separadas
menos de
1mm.
paredes de
roca dura.
Superficie
algo rugosa,
separadas
mayor a
1mm.
Paredes de
roca dura.
Superficie
lisas o
relleno
menor a
5mm.
Espaciamie
nto fisuras
abiertas
entre 1 y
5mm.
fisuras
continuas.
Relleno blando
<5mm o fisuras
abiertas <5mm.
fisuras continuas.
Valores 30 25 20 10 0
5 Agua
sobterrane
a
Afluencia por
10m de longitud
del túnel (l/m)
Ninguno <10 10-25 25-125 >125
(presión del
agua en la
junta)/(principal
importancia σ)
0 <0.1 0.1-0.2 0.2-0.5 >0.5
Condiciones
generales
Completame
nte seco
Humedo Mojado Goteo Fluido
Valores 15 10 7 4 0
pág. 27
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
B. AJUSTE EN AL VALUACION POR ORIENTACION DE FISURAS (See F)
Orientacion del rumbo y
hechado de las fisuras.
Muy
favorable
Favorable Regular desfavorable Muy
desfavorable
Valores Tunel & minas 0 -2 -5 -10 -12
simentaciones 0 -2 -7 -15 -25
Taludes 0 -5 -25 -50 -
C. CLASIFICACION DE ROCAS SEGUN EL TOTAL DE VALUACION.
Valores 100←81 81←61 60←41 40←21 <21
Numero de clase. I II III IV V
Descripcion Muy Buena
roca
Buena roca Roca
regular
Roca pobre Roca miy
pobre
D. SIGNIFICADO DE LAS CLASICACION DEL MACIZO ROCOSO
Numero de clase I II III IV v
Tiempo medio de sostén 20 años
para claros
de 5m
1año para
claro de
10m
1 semana
para claros
de 5m
10 horas para
claros de
2.5m
30min para
claros de 1m
Cohesion de laroca (KPa) >400 300-400 200-300 100-200 <100
Angulo de friccion de la roca
(dec)
>45 35-45 25-35 15-25 <25
E. PAUTAS PARA LA CLASIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DE LA DISCONTINUIDAD
Grado de la longitud
de la discontinuidad
(persistencia)
<1m
6
1-3m
4
3-10m
2
10-20m
1
>20m
0
Grado de separación
(apertura)
Ninguno
6
<0.1mm
5
0.1-1mm
4
1-5mm
1
>5mm
0
Grado de rugosidad Muy rugoso
6
Rugoso
5
Moderadamente
rugoso
3
Liso
1
pulido
0
Grado del relleno
(formón)
Ninguno
6
Relleno duro
<5mm
4
Relleno duro >5mm
2
Relleno suave
<5mm
2
Relleno suave
>5mm
0
Grado de erosión Sin erosion
6
Erosion suave
5
Erosion moderada
3
Erosion alta
1
Descompuesto
0
pág. 28
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Crítica: Se han señalado los siguientes aspectos (Kirsten, 1988):
De forma natural, el sistema de cálculo (suma de contribuciones de rango
limitado) tiende a favorecer los índices medios de calidad.
Cambios radicales en un sólo parámetro (que pueden afectar de forma
significativa a la respuesta del macizo rocoso, como sería el caso de la resistencia
de las discontinuidades) afecta poco al índice global, debido, de nuevo, a la
estructura del índice como suma de contribuciones.
El espaciamiento entre juntas parece sobrevalorado (aparece dos veces: de forma
explícita e indirectamente en el RQD).
El sostenimiento que se propone es el definitivo. Bajo la filosofía del NATM es
necesario, en ocasiones, considerar sostenimientos primarios y secundarios que
no están definidos.
Más adelante se comparan entre sí los sistemas RMR y Q.
pág. 29
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 19. Tiempo de estabilidad de excavaciones sin soporte
Fig. 20. Recomendaciones para el sostenimiento en forma de arco de herradura (10 m de φ, σv< 25 MPa)
pág. 30
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
3.2. Sistema Q (Barton, Lien y Lunde, 1974)
El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:
Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes:
• Jn parámetro para describir el número de familias de discontinuidad • Jr parámetro para describir la rugosidad de las juntas • Ja parámetro para describir la alteración de las juntas • Jw factor asociado al agua en juntas • SRF factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones “in situ”)
La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:
Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas,
señalan sus autores que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que
con más probabilidad puedan permitir el inicio de la rotura.
La descripción detallada de Q aparece en la Fig. 21.
pág. 34
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
En la práctica Q puede variar entre 103 y 10"3, lo que representa un rango
considerablemente mayor que el correspondiente a los índices del resto de
clasificaciones. Cabe señalar que el método trata con cierto detalle los factores de
rugosidad de juntas, alteración y rellenos de las mismas. Los parámetros Jr y Ja se deben
establecer para la familia de discontinuidades con características más desfavorables
(incluyendo en este concepto no únicamente las juntas de peor calidad- resistencia-
intrínseca, sino también las peor orientadas).
La determinación de Q permite la estimación del sostenimiento del túnel. Para ello se
procede en tres etapas:
1. Se selecciona el grado de importancia de la excavación definido mediante un
índice ESR (Excavation Support Ratio) que viene a ser un factor de seguridad.
En efecto, Barton homogeneiza los diámetros de las excavaciones a un
diámetro “equivalente”, que se define De = D/ESR.
Los valores de ESR aparecen en la Fig. 22. La referencia (ESR=1) corresponde
típicamente a los túneles que encontramos en obras de transportes
(carreteras y ferrocarriles). Un cambio en ESR conduce implícitamente a una
percepción diferente de la seguridad que aceptamos para una determinada
obra.
2. Se elige el tipo de sostenimiento combinando el índice Q y el diámetro o luz
libre de la excavación (afectado por el coeficiente ESR) (Fig. 23). En esta figura
se aprecian también los casos que no necesitan sostenimiento (por debajo
del límite inferior de la figura). En general, los casos de excavaciones no sostenidas de
forma permanente se dan cuando:
Jn < 9; Jr > 1; Ja < 1; Jw = 1; SRF < 2.55
pág. 35
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Fig. 22. Q vs SPAN/ESR
3. Cada una de las categorías de sostenimiento indicadas en la Fig. 23 corresponde a
una descripción que aparece en la figura 24. El sistema especifica bulonado (con
diferentes características), hormigón proyectado reforzado o no y arco de
hormigón con encofrado, reforzado o no.
Crítica: La casuística que reflejan algunos índices (como Ja o SRF) tiende a ser
algo compleja y de interpretación complicada. Kirsten (1988) sugiere, por
ejemplo, una tabla alternativa para el cálculo de Ja (Fig. 18). El sistema parece,
por otra parte, bien adaptado para definir rocas de baja calidad.
Figura 23. Valores orientativos de ESR en función del tipo de excavación
pág. 36
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 24. CATEGORÍAS DEL REFUERZO
1) sin apoyo 5)cimbra reforzado con shotcrete, 50-90 milímetros, y empernado
2) empernado de punto 6) cimbra reforzado con shotcrete, 90-120 milímetros, y empernado
3) empernado sistemático 7) cimbra reforzado con shotcrete, 120-150 milímetros, y empernado
4) empernado sistemático shotcrete de 40-50mm.
8) cimbra reforzado con shotcrete > 150 mm, reforzada con anillos de shotcrete y pernos.
9) Concreto lanzado.
3.3. Comentarios finales
Los sistemas RMR y Q se han aplicado, desde su publicación, a centenares de proyectos
bajo condiciones variadas de litologías, calidad de roca, tamaño de excavación,
profundidad, etc., y sus autores han defendido su bondad y universalidad en numerosos
artículos.
En la tabla de la Fig. 19 se comparan los factores que aparecen en ambas clasificaciones. El
sistema Q parece algo más completo aunque no se dan criterios claros sobre la importancia
de la orientación y buzamiento de las discontinuidades (como se hace en los sistemas RSR
y RMR).
La aplicación de diversos sistemas a un mismo caso permite, por otra parte, calificar el
grado de conservadurismo relativo de cada método. Parece que el sistema RMR es algo
más conservador que el Q.
Por otra parte, es lógico intentar una correlación entre los índices Q y RMR. Se han
encontrado relaciones del tipo:
• RMR = 9 • ln (Q) + 44 = 20.7 • log (Q) + 44 (Bieniawski, 1976)
• RMR = 13.5 • log (Q) + 43 (Rutledge, 1978)
• RMR = 12.5 • log (Q) + 55.2 (Moreno Tallón, 1981)
pág. 37
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
CAPITULO 3: DEFINICIÓN DEL METODO AUSTRIACO
NATAM
El Nuevo Método Austríaco para Abertura de Túneles, NATM (New Austrian Tunneling
Method) es una manera segura y muy eficiente para construir túneles. Básicamente,
inmediatamente después de la excavación parcial del macizo, se instala la estructura de
soporte. Esta estructura es hecha con hormigón proyectado y complementada, cuando sea
necesario, por tirantes y cerchas. En esta metodología, que a primera vista parece simple,
están embutidos conceptos fundamentales.
El NATM, desenvuelto por Ladislau Rabcewicz, tuvo una evolución significativa en Europa
entre el Anal de la década del 1950 y la primera mitad de la década del 1960. Este desarrollo
es resultado de la experiencia con trabajos de ejecución de túneles en minas de carbón.
En la época se observó que las escoraciones de madera colocadas en las galerías de las
minas, después de la rotura de los primeros soportes provisionales, causadas por los
esfuerzos del macizo, podían ser más leves que los instalados inicialmente, en
consecuencia del alivio de tensiones ocurridas.
El suceso en la utilización del NATM depende de la comprensión y aplicación de algunos
conceptos, bien como de la experiencia de los profesionales envueltos en la construcción.
Aquí, son presentados los conceptos principales que definen la tecnología para el uso del
NATM
.
Figura 1 - Método NATM.
pág. 38
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
1 CONCEPTOS DEL NATM
1.1 Movilización de las tensiones de resistencia del macizo
El macizo circundante al túnel, que inicialmente actúa como elemento de cargamento,
debe pasar a ser constituir en elemento de escoración. Esto se debe a la movilización de
sus tensiones de resistencia. Es el principio de la estabilización por el alivio de tensiones
por deformaciones controladas (Figura 2).
1.2 Mantenimiento de la calidad del macizo por la limitación del avance y aplicación
inmediata del revestimiento
La acomodación excesiva del suelo hace que el macizo pierda su capacidad de auto-soporte
y pase a ejercer un esfuerzo sobre la estructura. La aplicación inmediata del revestimiento
de hormigón proyectado impide esta acomodación, tanto así como la formación de vacíos
en la juntura estructura-macizo, manteniendo su calidad. Esta aplicación de hormigón
pág. 39
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
posibilita que el soporte actúe en toda la superficie excavada, mejorando la interacción con
el macizo.
Métodos antiguos, como el maderamiento, tienen actuación puntual. Por más cuidadoso
que fuera el acuñamiento de fijación, estos procesos causaban vacíos en la juntura,
ofreciendo condiciones para el inicio de la disgregación del material y contribuyendo para
la pérdida de la capacidad de auto-soporte del macizo.
1.3 Avance y parcialización de sección de excavación, cierre provisional y utilización del
soporte adecuado en el momento adecuado
El avance y la parcialización adecuada del frente de excavación se dan en función del
comportamiento del macizo, que se traduce en el tiempo de auto-sustentación y
deformación del material.
Cuanto mayor sea el número de etapas, menor será el área unitaria de excavación, mayor
el tiempo de auto- soporte de la abertura no escorada y menores serán las repeticiones.
También influyen en la forma de parcialización los equipamientos disponibles, plazo para
ejecución de la obra y costos. En general, es procurada una solución que resulte en una
mayor velocidad de ejecución.
Figura 3 - Ejemplos de parcialización de sección.
pág. 40
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
El soporte del túnel trabaja como un anillo continuo, que debe ser concluido lo más breve
posible. Por cuestiones organizativas en la construcción, cuando es previsto el avance
pronunciado de la bóveda del túnel, muchas veces es colocado cierre provisional del anillo,
para estabilizar aquella área del macizo en cuanto las demás áreas van siendo excavadas.
Cuando la excavación es Analizada, ese piso es retirado, para la construcción del piso
definitivo.
Dos cuestiones son importantes para la colocación del soporte: la deformidad del mismo y
el momento de aplicación. Cuando el soporte es aplicado muy temprano, o para aquellos
con poca deformación, su capacidad de resistencia debe ser superior a aquella realmente
necesaria para el caso óptimo, pues el precisará trabajar con niveles de tensiones más
elevados, ya que el macizo aún puede sufrir un alivio e, por tanto, la aplicación de menor
carga.
El comportamiento de la interacción macizo-estructura, recibe fuertes influencias de los
siguientes factores: deformaciones del macizo y del soporte; tamaño de la abertura de la
excavación; defasaje entre la excavación y la aplicación del soporte; espesor del soporte;
método de avance de la excavación.
1.4 Utilización de enfilajes, tirantes y cerchas
Cuando es necesario, y para mejorar las condiciones de sustentación, son aplicados
elementos estructurales adicionales al hormigón proyectado, como cerchas o vigas
metálicas embutidas en el concreto y anclaje en el macizo del tipo tirante o perno, y
enfilajes.
La colocación sistemática del anclaje permite la movilización de la capacidad portante del
macizo, imponiendo que las tensiones confinantes alrededor de la abertura se mantengan
en niveles compatibles, limitando las deformaciones. Para la estabilización previa de
trechos a ser excavados o en los adaptadores, son utilizados los enfilajes clavados o
inyectados.
pág. 41
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Figura 5 - Enfilajes y cerchas.
1.5 Geometría de la sección excavada mínima y preferencialmente arredondada
En el método NATM, el volumen de suelo excavado es solamente aquel necesario para la
aplicación del revestimiento de concreto proyectado, sin la necesidad de ninguna
sobreexcavación.
En la construcción del túnel, se debe evitar geometrías con cantos vivos, eliminado locales
con concentración de tensiones, que pueden llevar el material a la rotura.
1.6 Drenaje del macizo
Siempre que haya ocurrencia de agua, la colocación de drenaje entre la estructura y el suelo
permite el alivio de estas presiones sobre la superficie del soporte del túnel, mejorando las
condiciones de seguridad de la obra y facilitando la excavación. También con este objetivo,
la aplicación de rebajamiento inducido del manto freático es muy eficiente.
1.7 Caracterización geológico-geotécnica del macizo, instrumentación e
interpretación de lecturas de campo
La realización de ensayos de campo y de laboratorio, sumadas a las investigaciones de
prospección geológica y análisis de deformaciones del túnel, permite la caracterización y
determinación de parámetros de resistencia, deformación y permeabilidad del macizo.
pág. 42
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
De acuerdo con el proyecto, se aplican los siguientes tipos de instrumentación:
• Marcos de superficie para control de recalques.
• Gasómetro para control de recalques inmediatamente encima de la calota del túnel.
• Pinos para control de recalques de las edificaciones vecinas.
• Nivelación interna del túnel.
• Secciones de convergencia para control de dislocamientos internos del revestimiento
del túnel.
• Piezómetro para control de la presión hidráulica en el macizo.
• Indicadores de nivel d
• el agua para control del nivel freático.
• Inclinó metros.
En el NTAM, los datos oriundos de las instrumentaciones de campo tienen un papel muy
importante, pues permiten medir el desarrollo de las deformaciones, el alivio de las
tensiones y, consecuentemente, la interacción del soporte con el macizo circundante,
además de:
Alertan para situaciones no previstas, para que sea posible la rápida tomada de
decisiones.
Suministran subsidios para la comprobación de las hipótesis iniciales del proyecto, lo que
permite adaptaciones y correcciones del método constructivo, ajustando los espacios de
cerchas y los tratamientos previstos.
Promover condiciones para mejorar el desempeño de la obra en cuanto a
productividad, seguridad, economía y calidad, a través de la interpretación de las lecturas
de los instrumentos asociada a los eventos observados en la obra.
2 PROCEDIMIENTO EJECUTIVO BÁSICO
2.1 Consideraciones iniciales
El gabarito externo de la sección transversal del túnel será Ajado antes del inicio de los
pág. 43
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
trabajos, y sirve como directriz para la excavación del túnel. Previamente será definido si
el túnel será ejecutado en una o en dos frentes, dependiendo de la urgencia de conclusión
de la obra. En el caso de dos frentes de ataque, se deben utilizar los servicios topográficos,
para que ocurra la perfecta concordancia en el momento del encuentro de los dos frentes
de excavación.
2.2 Excavación y ejecución del revestimiento
La abertura del túnel debe ser efectuada en las etapas indicadas a seguir:
a) Según el área de la sección transversal del túnel y de las características geotécnicas del
macizo, la excavación del frente puede ser parcializada o plena, conforme las indicaciones
contenidas en el proyecto. En el caso de excavación parcializada, será dejada enfrente de
la excavación, y en su principal, un contrafuerte de tierra para auxiliar en la estabilidad. El
largo del avance, o paso de la excavación, será definido en el proyecto. Todavía lo que
determina los pasos del avance es el comportamiento del macizo revelado en el quehacer
diario de la obra.
b) Después de realizado el paso de excavación, será aplicado el hormigón proyectado. En el
caso de túnel con armazón de fibras sintéticas, el hormigón proyectado será aplicado en su
espesor de proyecto. En el caso de armazón con mallazo, se aplica una camada de
hormigón proyectado de 3 centímetros de espesor y así se evita posibles desplazamientos
del suelo.
A continuación, es fijada por medio de grampos la camada externa de malla electro
soldada, obedeciéndose la transferencia estipulada en el proyecto, con el posterior
cubrimiento de la misma con hormigón proyectado hasta la posición de instalación de la
camada interna de la malla. Después de la colocación de la malla, se efectúa su cubrimiento
con 3 centímetros de hormigón proyectado, Analizándose así el revestimiento de ese paso
de avance.
En el caso que el proyecto especifique un acabamiento liso de la superficie del
revestimiento, esta última camada será hecha de argamasa con superficie enderezada a la
regla flexible.
pág. 44
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
c) Se repite nuevamente todo el proceso de abertura y ejecución del revestimiento
conforme los ítems anteriores hasta la finalización de la obra. La gran ventaja de la
aplicación de fibra en sustitución de la malla, es la reducción del tiempo de trabajo y
aumento de la seguridad de la obra, pues se evita la necesidad del pase de la tela a cada
avance.
2.3 Rebajamiento temporal del manto freático
El proyecto determinará la necesidad, o no, de promoverse el rebajamiento temporal del
manto freático durante la ejecución del túnel. Dependiendo de la profundidad del túnel, el
rebajamiento será por las punteras al vacío o por pozos con inyectores. Los diámetros y
profundidades de los componentes del rebajamiento serán definidos por el proyecto. En
cualquier sistema deben estar disponibles en la obra, bombas sobresalientes para
inmediata sustitución de aquellas averiadas. La operación de los sistemas debe tener una
asistencia permanente de 24 horas por día. Se debe analizar la necesidad de mantener un
generador, para operar en eventuales faltas de energía en la red pública.
2.4 Cerchas y enfilajes
Ante la eventualidad de sospechas de inestabilidades en el frente de excavación, en
cualquier trecho del túnel, u ocurrencia de repeticiones en la superficie, superiores a los
esperados, debe utilizarse sistemáticamente, cerchas. Las cerchas pueden ser de perfiles
metálicos o de vigas de barra de acero. Su geometría ejerce una función de guía para la
ejecución de los enfilajes. Los enfilajes podrán ser de chapas de acero onduladas o barras
de hierro cuadradas, clavados con un martillo neumático pequeño. El espesor de la chapa
de acero usualmente es de 3 mm. Las barras de hierro tienen entre 20 y 25 mm de diámetro
y el largo de los mismos debe estar determinado en el proyecto. El proceso de ejecución es
descrito a continuación:
pág. 45
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
a) Instalación de la cercha metálica de dimensiones ya definidas. El espacio entre cerchas
será definido diariamente en el campo, dependiendo del comportamiento del macizo.
b) Ejecución de los enfilajes.
c) Excavación de la sección hasta la posición de instalación de otra cercha, respetado el
paso de avance del proyecto o aquel definido en la obra.
d) Aplicación del revestimiento de hormigón proyectado y mallas electro soldadas.
e) Excavación de la sección y repetición de todo el proceso hasta que se haya ultrapasado
la región de inestabilidad.
f) Se retorna, o no, a las condiciones normales de excavación, dependiendo de las
condiciones locales del macizo. Las cerchas, en este caso, tienen función de soporte
temporal, sin efecto estructural permanente. Todos los esfuerzos serán absorbidos por el
revestimiento de hormigón armado.
2.5 Enfilajes especiales
Cuando el túnel pase debajo de estructuras, galerías, canales o ferrovías, deben ser
minimizadas las repeticiones o recalques de la superficie y obtenerse una mayor estabilidad
del frente de excavación con la ejecución previa de enfilajes especiales (paraguas o coronas
de jet grouting) cuyo largo es de cerca de 12 m. Los enfilajes podrán ser formados por tubos
de acero con válvulas-manchete o no, o barras acopladas a tubo con válvulas-manchete o
no. Sus características y espacios son definidos en el proyecto. En el caso de aquellos con
válvulas tipo manchete, tendrá la inyección de lechada de cemento en diversas etapas con
cantidades y presiones a ser definidas en el proyecto.
2.6 Precaución
Para todas las interrupciones de turnos de trabajo, debe ser evaluada la estabilidad
provisional del frente. En caso necesario, debe ser aplicada una camada provisional de
hormigón proyectado.
pág. 46
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
3 MANTENIMIENTO DE TÚNEL NATM
3.1 Superficie de concreto
El revestimiento de concreto no exige mantenimiento especial, además de las usuales para
concreto común. Las juntas deben ser limpias con aplicación de mastique (resina), siempre
que sea necesario. El surgimiento de eventuales manchas de humedad en el concreto,
pueden evidenciar una posible ineficiencia del drenaje de superficie o profunda, donde
deberá ser efectuado, inicialmente, el mantenimiento preventivo. En caso que ocurran
manchas de humedad en la superficie del concreto, éste deberá ser perforado para que
sea verificado el motivo de la ocurrencia, pudiendo ser instalado un dren profundo
adicional, para la eliminación de la humedad local.
3.2 Drenaje de superficie
Deberá ser ejecutada la limpieza constante en la salida de estos drenes, de forma tal, que
no interrumpa el camino abierto para el flujo de agua.
3.3 Drenaje profundo (DHP)
Deberá ser ejecutado el desarrollo de los drenes profundos, anualmente, consistiendo en:
Construye un émbolo que penetre en el DHP (espacio entre el émbolo y el PVC del dren
deberá ser aproximadamente 1mm).
• Inyecta agua por el émbolo, al mismo tiempo que el mismo es introducido hasta el final del
dren.
pág. 47
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
CAPITULO 4: ABACOS Y RECOMENDACIONES UTILIZADAS PARA
EL SOSTENIMIENTO DE TUNELES
1. RECOMENDACIONES DE BIENIAWSKI (1989)
La tabla 2.1. Recoge las recomendaciones de Bieniawski (versión 1989, que no ha sido modificada
después) que incluyen los siguientes puntos:
a) Excavación:
Partición de la sección, longitud de pase y tiempo y distancia de construcción del
sostenimiento
b) Bulonado:
Situación, longitud, espaciamiento y uso de mallazo.
c) Hormigón proyectado:
Situación y espesores
d) Cerchas metálicas:
Requerimiento, tipo y espaciamiento. Necesidad de forros, paraguas y contra bóvedas.
pág. 48
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
2. DIVISIÓN DE LA CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKI EN SUBCLASES
La clasificación de BIENIAWSKI ha dividido siempre el índice RMR dentro de 5clases (I, II, III, IV y V)
con las denominaciones desde “Muy buena” a “Muy mala”. Cada clase cubre un intervalo de 20
puntos.
En la práctica las clases no son equiparables entre sí. La clase I (Muy buena) es muy poco frecuente
porque no abundan los macizos muy poco diaclasados y de gran calidad. La clase III (Media o
Regular) es normalmente la más frecuente pero cubre un rango demasiado amplio. Las
necesidades de sostenimiento de un túnel de RMR = 40 son muy diferentes de las de un túnel de
RMR = 60. El primero probablemente incluirá cerchas mientras que el segundo casi nunca se
construirá con cerchas. Y los espesores de hormigón proyectado o la longitud de pase serán
también diferentes.
La clase IV (Mala) es demasiado amplia. Un túnel de RMR = 20 se excavará mecánicamente, y en
condiciones precarias de estabilidad, mientras que en un túnel con RMR= 40 podrán utilizarse las
voladuras y las necesidades de sostenimiento, aunque importantes, permitirán unos ciclos de
trabajo con rendimientos sistemáticos y tolerables.
Por ello proponemos la sustitución del sistema de 5 Clases por el de 10 Subclases. Cada subclase
tiene un rango de 10 puntos y, para mantener un cierto grado de correlación con la división
anterior, se denomina con el numeral romano de BIENIAWSKI (I, II, III, IV, V) seguido de una letra:
a para la mitad superior y b para la mitad inferior de cada clase. Estas modificaciones están ya en
uso en el sistema SMR para taludes.
La tabla 3.1. recoge la comparación entre las clases de BIENIASKI y las subclases propuestas con la
denominación de cada una.
pág. 49
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
Debe hacerse notar que la Subclase (90 < RMR < 100) es casi imposible de alcanzar, dado que en
España son muy escasas las rocas con resistencias a compresión simple superiores a 100 Mpa, y
en las de resistencia inferior el RMR básico máximo teórico es 92. En el caso de orientación
favorable el factor de ajuste para túneles es – 2 con lo que RMR< 90.
La subclase IV (0 < RMR < 10) es también muy poco frecuente. De la lectura de la tabla de
BIENIAWSKI (1989) parece deducirse que el valor mínimo del RMR básico es 8.Sin embargo en
condiciones desfavorables o muy desfavorables el factor de ajuste vale –10y –12 respectivamente,
lo que puede conducir a valores negativos del RMR. En cualquier caso no se puede afirmar que un
RMR < 10 corresponda a un terreno que pueda asimilarse a una masa rocosa. Se trataría siempre
de terrenos muy tectonizados con juntas muy abiertas y/o rellenos gruesos blandos con los bordes
muy lisos, con estrías de foliación (“slickensides”), y su comportamiento sería equivalente al de
suelos plásticos con resistencia al corte muy reducido, por lo que se salen fuera del ámbito normal
de la clasificación.
3. RECOMENDACIONES DE EXCAVACIÓN Y SOSTENIMIENTO
En las tablas 4.1. y 4.2. se presentan unas recomendaciones, para la excavación y para el
sostenimiento de túneles. Se utiliza el RMR, y las subclases definidas en el apartado anterior.
Como notas generales habría que puntualizar los siguientes aspectos:
pág. 50
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
a) Se trata de túneles y obras subterráneas con ancho de excavación entre 10 y 14 m, que es el
más corriente para obras de comunicación. Muchos túneles hidráulicos y de servicios son de
ancho menor, por lo que pueden reducirse las necesidades de sostenimiento y simplificarse las de
excavación. Por otra parte las cavernas de ancho mayor plantean problemas específicos, y los
métodos de excavación más idóneos no se correlacionan bien con la propuesta de la tabla 4.1.
b) La mayoría de estos túneles (de más de 10 m de anchura) se excava por voladuras pero en el
futuro se utilizarán más las tuneladoras. Puede recomendarse un factor de ajuste complementario
para los diversos métodos de excavación:
Excavación con TBM 'RMR = 10
Excavación mecánica 'RMR = 5
Excavación por voladuras cuidadosas 'RMR = 0
Excavación por voladuras deficientes 'RMR = -5 a –10
c) En España el nivel de tensiones tectónicas suele ser bajo y la mayoría de los túneles atraviesan
sierras cerca de la cumbrera, a profundidades inferiores a 250m. En estas condiciones predomina
la tensión vertical, debida al peso. Pero para tensiones tectónicas horizontales, en situaciones
complejas, estas recomendaciones pueden no ser adecuadas.
En cualquier caso no está de más recalcar que unas recomendaciones son solamente unas
orientaciones, que permiten conocer al proyectista las órdenes de magnitud más habituales, pero
que no le eximen de su obligación de estudiar y justificar en cada caso las disposiciones de
proyecto, ni le permiten evadir sus responsabilidades.
En general no es posible, ni deseable, recomendar un valor único de sostenimiento para cada
subclase. Por eso se proponen intervalos. Deberá elegirse el valor más pesimista cuando los
anchos de túnel sean mayores, el valor del RMR sea más bajo dentro de la subclase y/o las
condiciones de la obra aconsejen mayor seguridad durante la construcción. Los valores más
optimistas estarán indicados, por el contrario, para los anchos de túnel más reducidos, y/o los
valores del RMR más altos dentro de la subclase.
Hay alternativas casi complementarias. Por ejemplo la sección partida más la galería de avance
está indicadas cuando hay problemas de sostenimiento. Por el contrario, la sección partida con
machón central están indicadas cuando hay problemas de estabilidad del frente (lo que en muchos
casos se combina con el uso de cerchas).Otras alternativas son casi contradictorias. Por ejemplo,
pág. 51
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
el uso de mallazo o el de fibras como armadura del hormigón proyectado. O la excavación por
galerías múltiples frente a la excavación a sección partida.
No es posible tampoco, ni deseable, incluir todos los métodos de construcción de túneles en unas
recomendaciones generales. Eso no significa que cualquier método no citado no sea apropiado
en condiciones específicas. Por ejemplo, el bulonado del frente es un método o muy útil de pre
sostenimiento y garantiza la estabilidad del frente mismo. Ni este (ni otro método también útil en
ocasiones) se ha citado por una sola razón: ese uso es menos frecuente.
Finalmente los túneles en condiciones pésimas (RMR < 10) requieren un estudio específico, caso
por caso, que se sale del ámbito de cualquier clasificación. Normalmente se construirán utilizando
métodos especiales muy mecanizados, o bien el terreno se mejorará contratamientos previos a la
construcción del túnel.
4. ASPECTOS GENERALES DEL Q DE BARTON.
Barton (2000).
El Índice Q varía entre 0.001 y1.000, asociado a la clasificación del macizo como se presenta a
continuación.
0,001 y 0,01: excepcionalmente mala
0,01 y 0,1: extremadamente mala
0,1 y 1: muy mala
1 y 4: mala
4 y 10: media
10 y 40: buena
40 y 100: muy buena
100 y 400: extremadamente buena
400 y 1.000: excepcionalmente buena
La evaluación del Índice Q es realizada a partir de la Tabla 1A, en donde se obtienen los parámetros
base para el cálculo de las relaciones que describen el tamaño de los bloques, la resistencia al
corte de los mismos y la influencia del estado tensional, posteriormente es aplicada la ecuación 1
presentada en la tabla, obteniéndose el índice Q.
pág. 52
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
La determinación del tipo de soporte a partir del índice Q, se realiza desde la Figura 1A, ingresando
la relación de diámetro equivalente: Altura/ESR (Excavación Support Radio) y el índice Q,
encontrando un punto que pertenece a una región caracterizada por una calidad del macizo que
sugiere a la vez un tipo de soporte. El ESR depende del uso final de la excavación y es abstraído de
la Tabla 2A, este puede ser entendido como el factor de seguridad según el tipo de obra
subterránea.
pág. 53
UIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
5. COMPARACION DE AMBOS METODOS.
La clasificación del macizo rocoso según Bieniawski y Barton, son de un interés muy especial, ya
que incluyen un número suficiente de datos para poder evaluar correctamente todos los factores
que tienen influencia en la estabilidad de una excavación tanto en túnel como en corte de taludes
en roca. Bieniaswki da más importancia a la orientación y a la inclinación de los accidentes
estructurales de la roca y no da ninguna a los esfuerzos en la roca. Barton no incluye en factor de
la orientación de las fisuras pero si considera las propiedades de los sistemas de fisuras más
desfavorables al evaluar la rugosidad de las fisuras y su grado de alteración, ambos representan
la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos dos sistemas señalan que la orientación
e inclinación de las estructuras son de menos importancia y que la diferencia entre favorable y
desfavorable es adecuado para los casos prácticos, esto se puede aceptar para la mayoría de los
casos que se encuentran en el campo. Existen algunos materiales como la pizarra que tiene
características estructurales tan importantes que tienden a dominar el comportamiento de los
macizos. En otros casos, grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan
problemas de inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación
descritos serán quizás no adecuados y se necesitaran consideraciones especiales para la relación
entre la geometría del macizo y la excavación. Cuando se trata de rocas de muy mala calidad que
implican rocas comprimidas, expansivas ó grandes flujos de agua, se comprobó que la clasificación
de Bieniaswki es poco aplicable, esto se entiende ya que se ideó originalmente para túneles de
poca profundidad y taludes en roca dura fracturada. Por tanto, en este tipo de rocas
extremadamente malas se recurre al sistema de Barton. La relación que existe entre ambos
métodos, está expresado como: RMR = 9 ln Q + 44 SOSTENIMIENTO DEL TUNEL SEGUN ¨ BARTON.
En función al tipo de roca, y la dimensión del túnel, Barton presenta un método “empírico” para
estimar los soportes en un túnel, que varía desde anclajes ocasionales, hormigón proyectado con
y sin malla metálica hasta hormigón moldeado con acero de refuerzo.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 54
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
CAPITULO 5: MÉTODOS EN LA CONSTRUCCION DE
TUNELES
1. MÉTODO BELGA:
Es un método para la construcción de túneles. Se basa en los principios que permitieron
la construcción, en 1828, del túnel del Charleroi en el canal que enlaza Bruselas y
Charleroi
Se caracteriza por la progresiva excavación de los elementos que componen el túnel, de
tal forma que se van retirando los elementos más estables del túnel evitando el
hundimiento o la falta de estabilidad del frente. El método se denomina método clásico
de Madrid por ser el método más empleado en la construcción de los túneles del metro
de Madrid. Se suele aplicar a túneles con un ancho máximo de unos 8 m libres más 3 m
de ambos hastiales, es decir, de un máximo de 11 m.
Este método consiste en realizar la excavación abriendo una pequeña galería en clave
del túnel para ir ensanchándola poco a poco, protegiendo y entibando el frente, hasta
permitir hormigonar toda la bóveda. El primer elemento excavado es la bóveda del
túnel (se suele denominar avance en bóveda o calota). La bóveda se sostiene en el
terreno mediante un entramado progresivo de madera. La bóveda se asegura con
un encofrado y cuando está asegurada, la parte inferior se va excavando a medida que
se va asegurando el avance. De esta forma la galería se va construyendo a medida que
se avanza sin poner en riesgo a los trabajadores debido al hundimiento del túnel. Al abrir
pequeñas secciones es posible solucionar cualquier problema que pudiera surgir de
inestabilidad, puesto que la seguridad del método se basa en que se trabaja con un
frente muy pequeño, normalmente inferior a 3 m2. Este método tiene la ventaja de
estar muy comprobado en la práctica de la ingeniería civil, aunque su rendimiento es
pequeño
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 55
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
En terreno firme se excava a la mitad superior del túnel, comenzando con una galería
central desde el coronamiento hasta el arranque del arco. Esto se amplía en ambos
lados, y el terreno se mantiene en su lugar con estacas transversales. Es posible avanzar
con la excavación a una distancia considerable antes de continuar con el revestimiento
del túnel
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 56
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Resumiendo, las fases serían las siguientes:
a) Excavación de la bóveda. Realmente se inicia con una galería de avance, entibada en
la zona de clave, que va unos metros por delante de la bóveda, y desde la que se
ensancha la excavación de esa zona. Esta excavación va unida a la debida entibación.
b) Hormigonado de la bóveda con inyección del trasdós para rellenar huecos y asegurar
el contacto terreno-hormigón.
c) Excavación y entibación de hastiales por bataches, previa excavación en destroza.
d) Hormigonado de hastiales por bataches.
e) Destroza y hormigonado de la contrabóveda.
Si la sección del túnel es grande, las fases c) y d) se cambian, se excavan los hastiales en
pozo y se hormigonan antes de excavar la destroza.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 57
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
2. MÉTODO BERNOLD
El método bernolt integral (con cerchas de montaje, chapas continuas solapadas y
relleno de hormigón) sigue siendo una opción válida para macizos de calidad mala o muy
mala. Sin embargo su utilización ha decaído debido a la popularización del nuevo
método austriaco.
En todo caso la combinación de cerchas, con chapas bernolt, apoyado sobre las alas de
las cerchas y con relleno de hormigón bombeado o proyectado, constituye un
mecanismo de sostenimiento rígido.
3. MÉTODO ALEMÁN:
Se hacen avanzar dos galerias inferiores, una en cada muro lateral. En estas galerias se
construyen los muros hasta llegar al techo de las mismas. Sobre esto se excavan otras
dos galerías y se continúa la construcción de los muros. Se añade una galería central
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 58
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
superior que se ensancha hasta alcanzar las galerías laterales; el terreno sobre el arco
queda apuntalado por maderos longitudinales y estacas transversales. Después de
terminado el revestimiento del arco se remueve el resto del terreno.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 59
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
METODOS DE SOSTENIMIENTO
1. PERNOS DE ANCLAJE:
- Principios de sostenimiento de los pernos:
a. Efecto cuña:
En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal de los
pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas rocosas
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 60
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
b. Efecto viga:
En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistema de
fracturas dominantes sub-horizontales, los pernos ayudan a minimizar la
deflexión
c. Efecto columna:
El concepto del efecto viga puede ser extendido al caso de paredes paralelas a
estratos o discontinuidades sub-verticales (fracturas sub paralelas a la labor),
generando el denominado EFECTO COLUMNA, para minimizar el pandeo de los
bloques tabulares
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 61
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
d. Efecto arco:
En roca fracturada e intensamente fracturada, los pernos confieren nuevas
propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalaos en forma radial, los
pernos en conjunto forman un arco rocoso que trabaja a comprensión
denominado efecto arco, el mismo que da la estabilidad a la excavación
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 62
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
ACCION ACTIVA Y PASIVA DE LOS PERNOS:
- SOSTENIMIENTO ACTIVO DE LOS PERNOS
- SOSTENIMIENTO PASIVO DE LOS PERNOS
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 63
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
TIPOS DE PERNOS
PERNOS DE ANCLAJE MECÁNICO
• Varilla de acero, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión que
va al fondo del taladro.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 64
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
• Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o con rosca, en donde va una
placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, para presionar la roca.
• Es relativamente barato.
• Su acción de reforzamiento de la roca es inmediata después de su instalación.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 65
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
BULON DE REDONDO INYECTADO
BULON DE CABLES
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 66
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
CONSIDERACIONES IMPORTANTES
• Su uso es limitado a rocas moderadamente duras a duras, masivas, sin presencia
de agua.
• En rocas muy duras, fracturadas y débiles no son recomendables, debido a que
el anclaje podría deslizarse bajo la acción de las cargas.
• Pierden su capacidad de anclaje como resultado de las vibraciones de la
voladura, por lo que no es recomendable utilizarlos en terrenos cercanos a áreas
de voladura.
• Solo pueden ser usados para reforzamiento temporal. Si son utilizados para
reforzamiento permanente, éstos deben ser protegidos de la corrosión si hay
presencia de agua y deben ser post-cementados con pasta de cemento entre la
varilla y la pared del taladro.
SPLIT SET
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 67
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENO SON SWELLIX
• También es un perno de anclaje por fricción, pero en este caso la resistencia
friccional al deslizamiento se combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de
anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual funciona como un anclaje
repartido.
• La varilla es activada por inyección de agua a alta presión (aproximadamente 30
MPa ó 300 bar) al interior del tubo plegado, el cual infla al mismo y lo pone en
contacto con las paredes del taladro, adaptándose a las irregularidades de la
superficie del taladro, así se consigue el anclaje.
• Una vez expandido el tubo, se genera una tensión de contacto entre el tubo y la
pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presión o fuerza radial
perpendicular a su eje y una fuerza de rozamiento estático, en toda su longitud,
cuya magnitud depende de la estructura de la roca y de la dimensión del taladro.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 68
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
CONSIDERACIONES IMPORTANTES
• Constituyen un sistema alternativo a los split sets, pero de mejor rendimiento en
terreno de menor calidad, para el refuerzo temporal.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 69
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
• Debido a la existencia de distintos tipos de swellex, cubren un amplio rango de
aplicación desde rocas duras a suaves y en terrenos muy fracturados.
• Es de instalación sencilla y rápida, el efecto de refuerzo es inmediato, y está
provisto de arandelas para colocar la malla en cualquier momento.
• Son más costosos que los split sets.
FALLAS DEL SISTEMA
SOSTENIMIENTO CON SHOTCRETE
El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de
soporte de rocas; ello, sumando al avance logrado en materiales, equipos y
conocimiento de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante
y necesaria para los trabajos de construcción subterránea en particular, la tecnología
moderna del shotcrete por vía húmeda y seco, ampliado el campo de trabajo de la
construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo,
son ahora viables independientemente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar
esta tecnología en cualquier condición.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 72
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SHOTCRETE POR VIA SECA
SHOTCRETE POR VIA HUMEDA
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 73
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
DIFERENCIAS ENTRE VIA SECA Y VIA HUMEDA
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 74
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO CON MALLA:
DIFERENCIAS ENTRE EL SOSTENIMIENTO CON MALLA Y FIBRA
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 75
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
SOSTENIMIENTO CON CERCHAS
USO DE SPILLING BARRS
• Este fierro de avanzada es colocado en el terreno antes del disparo, cuando se
observa que la estabilidad de la bóveda está en riesgo y así controlar este
inminente desplome.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 76
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
• Estructuralmente trabaja como una viga, en un extremo como simplemente
apoyado en la cimbra y en el otro extremo empotrado en el terreno y la fracción
que queda excavada (luz libre) soportara la carga de la roca con inminente caída.
La diferencia específica para el empleo de los Spilling Barrs y los Marchavantis es su
instalación:
• Para evitar que se produzcan derrumbes se usan los Spilling Barrs (se instalan
antes del disparo), pero si se requiriera mayor resistencia, se utilizarían
Marchavantis.
• Producido el derrumbe se usan Marchavantis.
PROCEDIMIENTOS DE INSTALACION:
1. Se realiza el sostenimiento del frente excavado con cimbras al tope. Este debe
estar completamente entibado con planchas metálicas, bolsacretos y
arriostrados con los distanciadores y cáncamos.
2. Sobre la última cimbra, se cortan las planchas metálicas entibadas, separadas
entre 20 a 30 cm, en el perímetro de la bóveda. Los hastiales están sujetos a
evaluación.
3. Luego a través de estos huecos de las planchas se realizan perforaciones
subhorizontales en la roca, los mismos que darán paso a los Spilling Barrs.
4. Se colocan los Spilling Barrs a golpes con las combas, por los taladros
realizados; normalmente los taladros tienen la tendencia a cerrarse por la calidad
de la roca.
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 77
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
5. Los Spilling Barrs al final estarán colocados como un abanico, soportando un
arco de roca propenso a caer y los mismos que no caerán por el grado de flexión
y resistencia que tiene el acero.
PASOS GENERALES A SEGUIR EN EL PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN DE UN
TUNEL
SOSTENIMIENTO EN TUNELES
pág. 78
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
BIBLIOGRAFIA
NAVARRO CARRASCO, Salvador. ORTIZ GOMEZ, RAUL; RUIZ MARIN, Juan
Antonio. “Geotecnia aplicada a la construcción de Túneles”. España.1991.
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/nbelandria/materias/geotecnia/Estad
o_tensional.pdf
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/nbelandria/materias/geotecnia/disen
o_de_tunels_2.pdf
http://www.solotrat.com.br/ws/manual/es_ManTunelNATM.pdf
http://www.solotrat.com.br/ws/manual/es_ManTunelNATM.pdf
Recommended