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Presenta: Ing. Cecilia Mondragón Mendoza Ing. Adriana Valdivieso Peralta
Profesor: Dr. Eleazar Arregue Rocha
15 / FEBRERO / 2013
“Proyecto Túneles”
UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO
MAESTRÍA EN INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE EN LA RAMA DE VÍAS
TERRESTRES
Proyectodetúneles
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ContenidoINTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ 3
1 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................................... 3
2 OBJETIVO DEL PROYECTO .................................................................................................................... 7
3 NORMATIVA DE OBLIGADO CUMPLIMIENTO ................................................................................ 7
4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .............................................................................................................. 7
4.1 TRAZADO ............................................................................................................................................. 7
4.2 SECCIÓN .............................................................................................................................................. 8
4.3 PROFUNDIDAD DEL TÚNEL ............................................................................................................ 9
4.4 MÉTODO CONSTRUCTIVO ........................................................................................................... 10
4.4.1 MAQUINARIA .......................................................................................................................... 10
4.4.2 LONGITUD DE AVANCE .......................................................................................................... 11
4.4.3 ESTABILIZACIÓN................................................................................................................... 12
4.4.4 REVESTIMIENTO .................................................................................................................... 13
4.5 EMBOQUILLADO ............................................................................................................................. 17
4.5.1 BUZAMIENTO ........................................................................................................................... 17
4.5.2 EMBOQUILLADO ..................................................................................................................... 18
5 USOS DEL TÚNEL .................................................................................................................................... 22
6 PROBLEMA CON EL NIVEL FREÁTICO .............................................................................................. 22
7 MEMORIA CONSTRUCTIVA ................................................................................................................. 22
7.1 MATERIALES UTILIZADOS EN LOS ELEMENTOS RESISTENTES ................................ 22
7.2 ACONDICIONAMIENTO DEL TERRENO .................................................................................. 31
7.3 ESTRUCTURA .................................................................................................................................... 32
7.3.1 RESUMEN ................................................................................................................................... 42
7.4 SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN DRENAJE ................................................................ 43
7.4.1 IMPERMEABILIZACIÓN ........................................................................................................ 43
7.4.2 DRENAJE .................................................................................................................................... 46
8 PROGRAMA INFORMÁTICO DE CÁLCULO (SAP) ........................................................................... 47
ANEXO 1 - ESTUDIO GEOTÉCNICO .......................................................................................................... 48
ESTRATIGRAFÍA ..................................................................................................................................... 48
RESULTADOS DEL LABORATORIO .................................................................................................... 49
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INTRODUCCIÓN
En México pese al gran esfuerzo que día a día la ingeniería hace por lograr alcanzar altos niveles de competitividad en infraestructura en nuestro mundo tan globalizado exige nuevos retos, lamentablemente hay otros asuntos en nuestro país que exigen mayor atención y esta parte queda poco asistida dando origen al inevitable rezago en tecnología, experiencia y conocimientos en este tema de Ingeniería de Túneles.
El presente proyecto se trata del diseño de un túnel en carretera en zona montañosa poco profunda, como la longitud varía de 2 a 5 kilómetros entra en el rango de Túnel Largo, se encuentra localizada específicamente en una zona rural.
Respecto a su geometría será tipo bóveda con pendiente suave siguiendo la geometría del terreno desplantado sobre terreno SP y GP (arenas y gravas mal graduadas y muy compactas) por lo cual tendrá un grado de dificultad por la poca cohesión del material. Finalmente la ingeniería como en todos sus retos pretende dar solución con metodologías factibles al caso.
El refuerzo está basado en cerchas estructurales trabajando en colaboración con concreto. El análisis se realizó bajo un programa estructural (SAP2000 V15).
El objetivo de nuestro trabajo fue llevar a cabo el diseño de un Túnel subterráneo optando por emplear una metodología que hoy en día se podría considerar por los expertos en el tema como obsoleta pues es la base de muchas de las técnicas modificadas y adecuadas por varios investigadores expertos en el tema, que acompañadas de un moderno software hacen eficiente el tiempo de cálculo.
Sin embargo por tratarse de un tema tan poco experimentado en nuestra área optamos por obtener paso a paso el cálculo de nuestro proyecto logrando un mejor entendimiento de la metodología, funcionamiento e influencia de cada elemento que constituye una obra de este tipo.
1 JUSTIFICACIÓN
Nuestro proyecto se localiza en el estado de Michoacán, en la zona V de Tepalcatepec (Fig. 1)
Fig. 1 Zona V de Tepalcatepec
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El 34% de la población del estado se dedica al sector primario, con trabajadores en actividades
agrícolas, ganaderas, silvícolas y pesca. La actividad agrícola se desarrolla en poco más de un millón de hectáreas, que representa el
20% de la superficie total del estado, y de ellas cerca de 400,000 corresponden al área de riego y estas se localizan principalmente en estas zonas de estudio.
El 75 % de la superficie cultivada en estas zonas se destina a sorgo, toronja, papaya, trigo,
limón, praderas, caña de azúcar, mango y sobre todo maíz, producto que ocupa el 43% del área señalada.
En el sector agropecuario se cuenta con agricultura de riego, donde se produce principalmente limón agrio mexicano, cuyo valor representa el 70% de la parte sur, en la zona norte se produce el 90% de la zarzamora, misma que tiene un fuerte componente de exportación; el 88% de la caña de azúcar y el 25% del aguacate del estado. El 75 % de la superficie cultivada en estas zonas se destina a sorgo, toronja, papaya, trigo, limón, praderas, caña de azúcar, mango y sobre todo maíz, producto que ocupa el 43% del área señalada.
El sector ganadero en la parte norte de la Región se inicia la cuenca lechera y si bien no se
trata de ganadería intensiva, la producción ha permitido que se consoliden dos industrias: la de queso Cotija en el municipio de Cotija, y en otro vecinos, y la de helados Michoacán, en el municipio de Tocumbo, cuyas franquicias se distribuyen por todo el país, e incluso en algunas ciudades de Estados Unidos. Este último desarrollo es importante ya que es un negocio comunitario. En el siguiente mapa (Fig. 2) se presenta la importancia que tiene la región en la producción de bovinos.
Fig. 2 Producción de bovinos en el Estado de Michoacán.
En nuestra zona de estudio se concentra el más alto porcentaje de producción ganadera del estado.
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Por los aspectos antes mencionados es importante la región en estudio para nuestro estado sin embargo, la región presenta una muy escasa funcionalidad, se encuentra muy deficientemente conectada. De hecho cuenta con sólo 339 Km de carreteras, de los cuáles el 60% son revestidas.
Las oportunidades de interconexión con otras regiones es hasta el momento la limitante de
desarrollo ya que no se vislumbra ninguna opción que comunique a la región con otros puntos del estado.
Nuestro proyecto forma una pequeña parte del proyecto: E.C.(TEPALCATEPEC – COALCOMÁN)
–SAN ISIDRO – LOMA BLANCA – PUNTA DE AGUA – DIVISIÓN DEL NORTE – ALTAMIRA –CHIQUIHUITILLO – E.C.(USPERO – APATZINGÁN), tramo de km 0+000 a km 72+000; el cual de acuerdo a sus características y a sus funciones ligara los puntos situados entre las vías de comunicación ya existentes como las carreteras: Tepalcatepec – Coalcomán, apatzingán – Aguililla, apatzingán – El Capire y apatzingán – El Mirador.
La entrada del túnel de acuerdo con el cadenamiento del trazo del camino es Km 3+442.26 y la
salida Km 5+540.26. En la Fig. 3 podemos observar la problemática del sitio:
En color naranja el actual camino tipo brecha con un gran número de curvas y muy cerradas evitando la topografía de los cerros presentes.
Por otro lado observamos debajo del pueblo una serie de sistemas de riego de canales revestidos de concreto que por ningún motivo se permiten afectar por la gran importancia que tiene ya este sistema establecido.
Por debajo de las faldas del cerro se observan miles de hectáreas agrícolas que no es posible afectar debido a la importancia productiva que representan además de que los propietarios no están interesados a negociar presentándose conflictos muy fuertes con las autoridades al grado de optar por otra opción.
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Fig. 3 Aspectos influyentes en el trazo del Túnel.
Como primera opción se trató de proyectar utilizando la máxima pendiente para tener la
menor cantidad de cortes en el trazo, sin embargo en la Fig. 4 vemos el perfil del tramo y aun con la pendiente máxima se tiene una gran cantidad de cortes y rellenos que encarecen la obra con la desventaja de ser peligrosa por contar con pendientes tan altas.
Fig. 4 Perfil del tramo
De manera que se propone proyectar un túnel que resuelva el conflicto entre estos dos puntos
que observamos en color magenta.
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2 OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo del proyecto es evitar el paso por Zonas agrícolas y disminuir los volúmenes de corte y terraplén, los cuales representan un factor antieconómico para la proyección de la carretera además de que por restricciones de la pendiente máxima no hace posible el trazo, por lo que, se decide optar por un túnel que atraviese los relieves.
3 NORMATIVA DE OBLIGADO CUMPLIMIENTO
No existe ninguna norma oficial mexicana directamente aplicable a la construcción de éste tipo de obra, sin embargo, para el proceso constructivo se regirán normas aplicables a mitigar el Impacto ambiental que la construcción del túnel pudiera ocasionar.
4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
4.1 TRAZADO La Fig. 5 muestra en línea de color rojo el relieve que atravesará el túnel, el cual inicia en el
Frente 1 y termina en el Frente 2. La línea en color naranja indica el camino que se utiliza actualmente para rodear dichos relieves que une a la población de La Romera con El Bejúco.
Fig. 5 Trazo del Tunel
La Fig. 6 muestra el perfil longitudinal. La línea en color azul es la ruta que tendrá el Túnel. La línea en Rojo es el trazo que tendría si la opción fuera construir una carretera, se observa que si se construyera la carretera en lugar del túnel existiría mucho movimiento de tierras, además de que sería considerada una zona de alto riesgo.
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Fig. 6 Perfil Longitudinal del túnel
La Fig. 7 muestra de forma gráfica los relieves que atravesará el Túnel.
Fig. 7 Relieves que atraviesa el Túnel
4.2 SECCIÓN Respecto a la sección del túnel la elegida es la Tipo Bóveda. Dado que la profundidad del túnel
respecto de la superficie no es tan elevada, además de que no realizarán túneles de acceso ni rampas para su excavación.
La sección elegida permite que en el interior del túnel haya espacio para:
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a) Sistema de transporte de los Vehículos. b) Canalizaciones de las diferentes instalaciones necesarias para el funcionamiento del
túnel. Es necesario un espacio en el que pasen los diferentes cables eléctricos para la instalación de baja tensión y de alumbrado, los conductos de ventilación y las canalizaciones para la instalación de protección contra incendios.
c) Labores de mantenimiento.
La Fig. 8 se ilustra la sección del túnel
Fig. 8 Sección Tipo Bóveda
4.3 PROFUNDIDAD DEL TÚNEL De acuerdo al perfil longitudinal del Proyecto Geométrico (Fig. 9) se observa que no existe una
profundidad constante, por lo cual nos acoplaremos a las condiciones geomorfológicas.
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Fig. 9 Perfil Longitudinal de paso del Túnel
4.4 MÉTODO CONSTRUCTIVO
4.4.1 MAQUINARIA La Fig. 10 muestra un criterio de excavabilidad mecánica de las rocas en función de la
resistencia a la compresión simple y el RQD. De acuerdo a estudio geotécnico, nos encontramos ante un suelo formado por grava y arena de compacidad relativa, por lo cual de acuerdo a Romana estamos dentro de la CLASIFICACIÓN G, específicamente en SUELO y TRANSICIÓN.
Fig. 10 Clasificación de Excavabilidad según Romana.
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Por lo cual, de acuerdo a la Fig. 11 se puede utilizas para excavación;
Rozadora PosibleMartillo Posible o no
Pala Adecuado
Fig. 11 Tipo de excavación según Romana.
Donde Fn; Fuerza máxima de empuje por cortador en toneladas P; Peso total de la rozadora en toneladas
Como se indica que lo adecuado será excavar con pala, aunque consideramos que en la actualidad la pala puedes ser sustituida por la retroexcavadora que tiene la misma función que la pala.
Por lo anterior se concluye que el método más adecuado para construir el túnel es el Método tradicional, debido a que la longitud del túnel no es muy grande y adicionando que en México no existe maquinaria especializada para la perforación de túneles a la que se tenga acceso fácilmente, por lo cual resultaría menos costoso que la excavación se realice con mano de obra calificada.
4.4.2 LONGITUD DE AVANCE Sabiendo que la maquinaria a utilizar será palas y retroexcavadoras, la otra cuestión a verificar
será la longitud de avance que estás tendrán, para ello, nos basaremos en la clasificación de Lauffer (Fig. 12) la cual no indica el tiempo que se puede permanecer abierto el túnel sin soporte ante una longitud dada de avance.
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Fig. 12 Longitud de Soporte según Lauffer.
De acuerdo a esta clasificación y considerando el tipo de material que encontramos en el trazo
geométrico, nos encontramos en la CLASE D, por lo tanto la longitud de avance será menos a 1.50m, con lo que aseguraremos un tiempo de 5 horas para maniobras antes de que empiece a derrumbarse el túnel si no tiene soporte.
4.4.3 ESTABILIZACIÓN Con respecto a la clasificación según Lauffer, elegiremos la estabilización de las paredes. De
acuerdo a la Fig. 13 observamos que tenemos cuatro métodos recomendados;
ConcretolanzadoyanclasMarcosmetálicosyretaquedemaderaAnillosmetálicosyretaquedemaderaDovelasdeconcretoDovelasdeplacadeacero
Fig. 13 Estabilización de paredes según Lauffer
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La estabilización se realizará con Marcos Metálicos y retaque de madera, debido a que como se dijo anteriormente el tramo del túnel no es muy largo, además de que, para la colocación de las dovelas se requiere maquinaria especializada a la que no se tiene acceso tan fácilmente en México. Se descarta también el concreto lanzado debido al espesor tan grande que requeriría.
4.4.4 REVESTIMIENTO El revestimiento final de un túnel es la carta de presentación permanentemente visibleVdel
contratista de túneles. Elegiremos el tipo de revestimiento según recomendaciones de Lauffer (Fig. 14), el cual nos
indica que tenemos tres opciones recomendadas para la clasificación D.
ConconcretoLanzadoyanclasDovelasdeconcretoConconcretocoladoconcimbra
Fig. 14 Revestimiento recomendado por Lauffer.
De las tres opciones indicadas se elige el concreto lanzado, sin embargo, no se colocarán anclas, sino malla electrosoldada debido a que ésta no tendrá una función estabilizadora sino únicamente de revestimiento.
Como se indicó anteriormente el método de construcción será el Método Tradicional y la excavación del Túnel constará de varias fases que se van realizando sucesivamente.
Las fases son:
Bóveda Destroza central Hastiales laterales Solera o contrabóveda
El proceso constructivo se ilustra en las siguientes imágenes:
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1. Excavacióndelagaleríadeavanceenclave;ConPALA
2. Sevaensanchandolateralmente;ConPALA
3. Hastallegaraexcavarlaseccióncompleta;ConPALA
4. Secolocanlascerchasdeacero5. Entre cercha y cercha se coloca madera
como cimbra
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6. Secolocaelconcreto7. Inicia la excavación de la destroza; Con
RETROEXCAVADORA
8. Excavacióndeladestroza;ConRETROEXCAVADORA
9. Finaldeexcavacióndeladestroza 10. Se coloca cerchas verticales
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11. Secolocaelconcreto 12. Se excava la contraboveda
13. Secolocaelconcretoenlacontraboveda
14. Sección del Tunel acabado
VENTAJAS:
Minimiza inversión inicial en instalaciones, por ser un método que sólo requiere herramientas de mano y maquinaria tradicional de excavación.
Posibilidad de avance en varios frentes, siempre que se disponga de varias rampas de ataque y personal especializado suficiente.
Estabilidad del frente al ser un método de ataque a sección partida y tener la posibilidad de apuntalar éste.
Adaptabilidad a casi cualquier tipo de terreno, lo que permite ejecutar sin tratamientos previos, en zonas en las que no sería posible con otros métodos.
Gran flexibilidad de actuación frente a imprevistos, acortando los pases, aumentando la entibación, o tratando el terreno.
Buen control de bases, debido al propio sistema de ejecución con poco frente abierto, con el presostenimiento colocado inmediatamente después de excavar y con el sostenimiento definitivo pegado al frente de excavación.
Precio competitivo con métodos más mecanizados. Reduce incertidumbres de plazo al necesitar menos tratamientos que otros sistemas
INCONVENIENTES:
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Dependencia de la mano de obra especializada para la ejecución del método. Entibadores y piquetas, cuyo número se ha visto reducido. La experiencia demuestra que, con equipo de profesionales, es posible formar nuevos especialistas, ampliando el potencial humano, aunque es una labor muy lenta.
El método implica una elevada proporción entre mano de obra y materiales, con el correspondiente extracosto por el incremento de los salarios y la disminución actual de la productividad en la construcción.
Provoca muchas juntas de construcción, con la consiguiente repercusión en el acabado superficial y la duración a largo plazo de la obra.
4.5 EMBOQUILLADO
4.5.1 BUZAMIENTO Verificaremos la orientacion del tunel con respecto a las capas del terreno,en la Fig. 15 vemos
que se oriento perpendiculares los frebtes al eje del tunel y el buzamiento por la pendiente del terreno para este caso coincide tambien con el cadenamiento del proyecto.
Fig. 15 Buzamiento
Enseguida ( Fig. 16) tenemos el norte magnetico y el norte porpio del tunes que seria en el eje del tunes su propio norte y sur y vemos la tendencia de sus capas.
Fig. 16 Revisión de la zona anticlinal
En la Fig. 17 satelital vemos que cumple con ser paralelo el eje del tunel con el eje anticlinal de las capas y asi ambos hastiales seran cinematicamente estables, y tambien esta desfasado del eje para evitar que siempre exista agua por coincidir la zona de grietas con el eje y lo corroboramos con Fig. 18 de la carta topografica.
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Fig. 17 Eje de Túnel paralelo al eje anticlinal.
Fig. 18 Eje de Túnel paralelo al eje anticlinal
Por lo tanto es una ubicación estable y podemos continuar con nuestro estudio del tipo de emboquillado que se la dara a nuestro tunel.
4.5.2 EMBOQUILLADO En la Fig. 19 vemos la distribucion de los sondeos realizados de los cuales los dos primeros se
trata de una grava mal graduada (GP), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”., el tercero se trata deuna arena mal graduada (SP), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta” como se muestra en los resultados de lso sondeos en la parte de los anexos de estudio geotecnico.
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Fig. 19 Distribución de los Sondeos
Con la información anterior podemos empezar a buscar el método más adecuado para el emboquillado de los accesos, tratándose del Frente 1; una grava mal graduada (GP) y en el Frente 2 Una arena mal graduada (SP).
Por lo anterior concluimos que se trata de un terreno blando, ya que el término de terreno blando comprende en general a gravas, arenas, limos, arcillas y depósitos aluviales.
El comportamiento de estos terrenos dependerá del contenido y movimiento de agua, pero afortunadamente no se tiene presencia de nivel freático en la zona.
La grava o arena no tienen resistencia a la tensión y para nuestro tipo de suelo es de compacidad relativa “muy compacta”, por lo que habrá que asegurar cualquier cavidad para impedir el desplazamiento de un gran volumen de suelo.
Según la clasificación de Terzaghi nuestro tipo de roca es de un Grado de resistencia Moderadamente bajo, Gravas, y bajo correspondiente a Loes formaciones de arena y grava, su peso específico oscila entre 1.7 a 2 ton/m2 y un F=1.
FRENTE14.5.2.1Se hará un corte en el kilometraje 3+743.8 con un ángulo de inclinación de 15 grados por
cuestión de estética, posteriormente se le dará un ángulo de reposo del material de 33grados con un espesor de capa de 11 metros por encima de la clave de la bóveda por recomendaciones de la teoría de Protodyaconov por ser este a la cantidad que nos dio el cálculo de Hp que será el área actuante en el sostenimiento.
Como podemos ver en la Fig. 20 la geometría de este procedimiento de corte para nuestros emboquillados.
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Fig. 20 Geometría emboquillado Frente 1
Dando como resultado la geometría siguiente (Fig. 21):
Fig. 21 Dimensiones de Corte Inicial
FRENTE24.5.2.2Aplicando las mismas consideraciones para el emboquillado 2 nos da la siguiente geometría
(Fig. 22 y Fig. 23):
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Fig. 22 Geometría Frente 2
Fig. 23 Cortes Frente 2
El proceso de corte de material se realizara con el mismo procedimiento de construcción y de protección con concreto que se describe en la sección de metodología de construcción, en lo que se refiere a maquinaria, los acabados finales se darán de acuerdo al proyecto constructivo que para el caso no entraremos en detalles de acabados.
La Fig. 24 muestra un detalle de cómo se realizará el emboquille.
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Fig. 24 Detalle de emboquille.
5 USOS DEL TÚNEL
El túnel esta proyectado como paso vehicular de doble sentido el cual se encuentra entre la población de San Isidro y la Romera.
6 PROBLEMA CON EL NIVEL FREÁTICO
Para la construcción no existen problemas con respecto al Nivel Freático debido a que la zona en donde se construirá el Túnel se encuentra en la región V del Estado de Michoacán.
7 MEMORIA CONSTRUCTIVA
7.1 MATERIALES UTILIZADOS EN LOS ELEMENTOS RESISTENTES
CERCHASHEB(IPN)7.1.1.1Se utilizarán perfiles de acero estructural (Fig. 25) como soporte para el túnel cuando éste sea
excavado.
Fig. 25 Perfil IPR estructural
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De acuerdo a especificaciones españolas las características que deben tener las cerchas son las mostradas en la Fig. 26.
Fig. 26 Características geométricas de las cerchas
Sin embargo las recomendaciones antes mencionadas para las cerchas son de acuerdo a las nomenclatura españolas, para México estas cambian.
El perfil que se usarán en México de acuerdo al IMCA es el siguiente.
España México
HEB-100 Viga IR 102x19.4
La nomeclatura HEB ‐120, 140, 160 Y 180 no existen para la nomenclatura de México, sin
embargo se pueden adecuar a algunos perfiles si fuese necesario. La Fig. 27 muestra un ejemplo de colocación de cerchas con sección IPR.
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Fig. 27 Perfil HEB como ejemplo de colocación para un falso túnel
CONCRETOPROYECTADO7.1.1.2El concreto proyectado (Fig. 28) es un método de construcción rápido, flexible y económico,
pero requiere un alto grado de mecanización y son esenciales operadores especializados.
Fig. 28 Concreto Proyectado
Aplicación a cualquier altura ya que el concreto se adhiere inmediatamente y sostiene su propio peso.
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a) Puede aplicarse sobre superficies irregulares b) Buena adherencia al substrato c) Configuración totalmente flexible del espesor de capa en sitio d) Concreto proyectado reforzado es también posible (refuerzo de fibra o malla) e) Pueden lograrse revestimiento con rápida capacidad de soporte a cargas, sin formaletas f) o tiempos de espera prolongados.
Los requerimientos para un concreto proyectado son los siguientes:
Cemento Fraguado extremadamente rápido y debe producir muy alta resistencia temprana
El contenido total de finos en una mezcla de concreto proyectado depende de muchos
factores y puede ser evaluado como sigue:
Agregados 0-8mm 0-16 mm
Redondas 500kg/m3 450kg/ m3
Trituradas 525kg/ m3 475kg/ m3
Los aditivos para el concreto se utilizan para mejorar y/o cambiar las propiedades del concreto
que no pueden o no pueden correctamente ser controladas por los componentes cemento, agregados y agua. Los aditivos pueden ser también adicionados al concreto proyectado durante el proceso de proyección para regular el inicio del fraguado.
Los aditivos de concreto proyectado (Fig. 29) se adicionan como porcentaje del peso o volumen del cemento. Estos se adicionan en un rango aproximado de 0.5% a 6%. Esto da cantidades de 2 kg/m3 a 30 kg/m3, que está en el rango de las milésimas partes del volumen total de concreto. Todos los aditivos usados son colocados en el concreto durante su producción en la planta de mezcla después de la medición inicial de agua. Una excepción es el acelerante del fraguado, el cual se adiciona inmediatamente antes del proyectado.
Fig. 29 Especificaciones de aditivos en concretos y morteros proyectados.
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El concreto Lanzado se tiene dos clasificaciones, proyectado por vía húmeda o proyectado por vía seca.
a) PROYECTADO POR VÍA HUMEDA El concreto proyectado vía húmeda implica el suministro de una mezcla lista y manejable de
concreto proyectado compuesta por agregado, cemento, agua y aditivos de concreto proyectado. Para la proyección por vía húmeda se mezcla con aire y con acelerantes de fraguado. El
concreto proyectado vía húmeda puede transportarse en flujo denso o flujo diluido. El concreto proyectado por flujo denso es el proceso más reciente y permite alto desempeño.
USOS El concreto proyectado vía húmeda se emplea siempre que se especifique alta calidad del
concreto endurecido y que se requiera alto rendimiento. Este proceso es de lejos el más popular en tunelería mecánica. Sin embargo, la elección del proceso está determinada por las preferencias del contratista.
Las principales aplicaciones del proceso de concreto proyectado vía húmeda son: • Alto rendimiento en trabajos de concreto proyectado. • Mejoras sustanciales de las condiciones de trabajo en el área de proyección. • Mayor durabilidad debido al control de la cantidad de agua de la mezcla. VENTAJAS Las ventajas en el proceso de proyectado vía húmeda cubre varias áreas diferentes. El
concreto proyectado vía húmeda es el método más moderno y eficiente. • Aumento del rendimiento, hasta 25 m3/h en algunos casos. • Nivel de rebote reducido en un factor de 2 a 4 • Mejoras sustanciales en las condiciones de trabajo debido a una menor emisión de polvo. • Reducción de costos por desgaste en el equipo de proyección. • Bajo requerimiento de aire durante la proyección. • Mejor calidad del concreto proyectado colocado (contenido constante de agua) TECNOLOGÍA DEL CONCRETO PROYECTADO El concreto proyectado vía húmeda flujo denso demanda más trabajo al comienzo (arranque) y
al final (limpieza) del proyectado que en el proceso vía seca. También el tiempo de manejabilidad es predeterminado durante la producción y el concreto proyectado deb aplicarse dentro de este lapso, sino habrá un desperdicio de concreto.
La Fig. 30 muestra una tabla en donde se resume las especificaciones para elaborar concreto lanzado por vía húmeda.
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Fig. 30 Especificaciones para la utilización de concretos y morteros proyectados por vía húmeda.
b) CONCRETO PROYECTADO VÍA SECA
El concreto proyectado vía seca es una mezcla lista de concreto proyectado compuesta por agregado, cemento, cualquier aditivo de concreto proyectado sin agua. Esta mezcla lista está o completamente seca (polvo seco) o está humedecida por la humedad del agregado. Para la operación de proyectado, el concreto proyectado vía seca se mezcla con agua y acelerantes de fraguado en la boquilla y luego se aplica. En el proceso de lanzado vía seca en lugar de aceleradores de fraguado pueden usarse cementos especiales de rápido endurecimiento que fraguan en muy corto tiempo después de humedecerlos con agua. El proceso de flujo diluido debe emplearse para el suministro del concreto proyectado vía seca. Este es un proceso que ha demostrado por mucho tiempo ser exitoso y está continuamente en desarrollo y mejoramiento.
USOS El concreto proyectado vía seca se emplea siempre que se requieran bajos rendimientos y
cuando es esencial alta resistencia muy temprana, por ejemplo, para sello preliminar contra alta penetración de agua con gunitas, sin embargo, la elección del proceso está determinada por las preferencias del contratista.
Aplicaciones del concreto proyectado vía seca y mezclas de gunitas listas: • Reparaciones de concreto.
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• Sello preliminar contra alta penetración de agua • Obras menores de proyectado • Obras de impermeabilización • Conceptos logísticos no dependientes del tiempo (almacenamiento local) VENTAJAS Las ventajas del concreto proyectado vía seca radican en su flexibilidad. Es el método
tradicional para aplicar el concreto proyectado y el más conocido en el mundo. • Alta resistencia muy temprana para sello preliminar o estabilización • Tiempo de almacenamiento (disponibilidad) casi ilimitado incluso en silos • No hay desperdicio de concreto TECNOLOGÍA DEL CONCRETO PROYECTADO Con el concreto proyectado vía seca se afectan los costos por el alto rebote, la emisión de
polvo y los costos de las piezas de desgaste. La Fig. 31 muestra una tabla donde se especifica las características para el diseño de concreto
proyectado vía seca.
Fig. 31 Diseño de mezcla de concreto proyectado vía seca
El tipo de concreto se elegirá de acuerdo a las preferencias constructivas del contratista.
MALLAELECTROSOLDADA7.1.1.3La malla electrosoldada o mallazo está formada está formada por una parrilla de barras
corrugadas unidas mediante electrosoldadura, y se utiliza como refuerzo del concreto, proyectado por su facilidad de adaptación a la forma del túnel. Generalmente se usa mallazo de diámetros de 4, 5 o 6 mm con separación comprendidas entre 10 y 20cm. En sustitución del mallazo se pueden emplear fibras de acero que se incorporan a la dosificación del concreto, la cual consiste en alambres de acero de 0.5mm de diámetro y 30mm de longitud, utilizados en una proporción del orden de 40 a 50kg de fibra por m3 de concreto.
La Fig. 32 se muestra como se colocan los rollos de malla electrosoldada.
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Fig. 32 Colocación de malla electrosoldada
Presentación de tipos de mallas;
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RECOMENDACIÓN
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MÉTODODESUJECIÓNDEMALLA7.1.1.4Se utilizarán placas de bulones si fuese necesario un soporte adicional para fijar la malla
electrosoldada, sin embargo, ésta no es necesaria, debido a la proximidad de las cerchas. Las placas de bulones serán necesarias cuando los rollos de malla electrosoldada de 40m
finalicen y se tenga que traslapar un nuevo rollo.
7.2 ACONDICIONAMIENTO DEL TERRENO Accesos: Actualmente no hay camino que conecte los portales del tunel con el camino actual
ya que los accesos forman parte del proyecto geometrico de manera que se debera hacer una brecha en condiciones necesarias para que pueda tener acceso por ella la maquinaria que se va utilizar asi como vehiculos y personal .
La brecha es mostrada la Fig. 33 en color magenta.
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Fig. 33 Brechas auxiliares.
Rampas: Para empezar la excavación será necesario hacer rampas y cortes para llegar a la rasante del túnel si es que aún no se han realizado como parte del proyecto del camino.
Bodega: Una bodega de materiales se podrá instalar también como parte del campamento de la obra.
Planta: Como parte fundamental también se necesitara contar con una planta que suministre energía eléctrica a las maniobras y según se vayan solicitando los servicios.
7.3 ESTRUCTURA Para calcular la estructura a utilizar en la construcción del túnel, se siguió una secuencia de
métodos y teorías, con lo cual se concluyó que la más adecuada para la sección transversal del túnel tipo bóveda es el Método de Protodyakonov.
En este método asumen que el túnel estará sometido a una carga actuante contenida dentro de una parábola la cual se muestra en la Fig. 34, el terreno externo a la parábola se autosostiene gracias al desarrollo del efecto del arco.
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Fig. 34 Cargas actuantes para un túnel tipo Boveda.
Asumiendo esta teoría los parámetros de interés se calculan con las siguientes fórmulas.
2
bHp
f
2 tan 452
b B Ht
3v
b
f
h ahK
2tan 452aK
Se realizó una hoja de cálculo en Excel (Fig. 35).
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Fig. 35 Hoja de Cálculo en Exel para el cálculo de las Presiones actuantes.
De donde el coeficiente de Protodiakonov (f) se obtuvo entrando a la tabla (Fig. 36) con el
peso específico del suelo que en nuestro caso es 1.7 ton/m3 con lo cual tenemos un factor de 1.
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Fig. 36 Valores empíricos del coeficiente de resistencia f del método de Protodiakonov
Según el tipo de material que se encuentra en el tramo donde estará el túnel, la tabla de Tipificación de suelos de Terzagui (Fig. 37) nos indica que nos encontramos con un suelo Clase F.
Fig. 37 Tipificación de suelo según Terzagui.
Clase
Clase A
Clase B
Clase C
Clase D
Clase E
Clase F
Clase G
Tipificación
Roca dura, masiva y sana: granitos, conclomerados, basaltos, areniscas siliceas, calizas
Rocas poco fracturadas, esquistosas: pizarras, esquistos, brechas
Suelos cohesivos o rocas blandas: arcillas residuales y rocas descompuestas y en estado plástico, arenas húmedas
Depósitos cuaternarios flojos: arenas y gravas aluviales, arcillas y suelos colapsables, suelos vegetales
Rocas de Clase B con estratificación desfavorable, fracturas frecuentes: areniscas blandas, lutitas, conglomeradosSedimentos consolidados, roca muy fracturada: areniscas medias, tobas, pizarras. pequeñas presiones laterales
Rocas muy fracturadas o fisuradas, suelos: suelos granulares compactos con zonas de falla
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Por lo tanto la altura Hp considerada en el cálculo será la mayor de;
c) Hp de la fórmula 2
bHp
f
d) Estudios de Terzagui
Para calcular las reacciones Terzagui propone que una distribución de cargas como la mostrada en la Fig. 38.
Fig. 38 Distribución de cargas en el Túnel
El sistema gráfico de reacciones queda de la siguiente manera Fig. 39.
Datos según Terzaghi
Clase factor dimensión factor dimensión
A 0.00 0.25 B
B 0.00 0.50 B
C 0.25 B 0.35 B+Ht
D 0.35 B+Ht 1.10 B+Ht
E 1.10 B+Ht 1.10 B+Ht
F 1.10 B+Ht 2.10 B+Ht
G 2.10 B+Ht 4.50 B+Ht
H p mín H pmáx
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Fig. 39 Presiones ejercidas en el contorno del Túnel.
Las presiones calculadas se introducen a un software para cálculo estructural SAP2000 V15.
Fig. 40 Presión vertical
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Fig. 41 Presión vertical vista 3D
Fig. 42 Presión horizontal
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Fig. 43 Presión horizontal vista 3D
Fig. 44 Cerchas HEB 160
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Fig. 45 Concreto f´c 250kg/cm2
Fig. 46 Deformaciones
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Fig. 47 Deformaciones vista 3D
Fig. 48 Modelo Finalizado
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Fig. 49 Modelo Finalizado
7.3.1 RESUMEN Para la construcción del Túnel se utilizará el siguiente material principal.
CERCHAS HEB 160 CONCRETO Lanzado vía húmeda de 25cm de espesor MALLA ELECTROSOLDADA 66-10/10 en Rollo de 40m RETAQUES Madera de primera del Tipo que abunde la zona
Nota; Se recomienda un monitoreo constante de las deformaciones de la estructura durante
su construcción.
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7.4 SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN DRENAJE
7.4.1 IMPERMEABILIZACIÓN El sistema de impermeabilización dependerá de diferentes aspectos empezaremos por
explicar que no se trata de una obra que estará expuesta a filtraciones permanentes ya que se encuentra en una zona de clima seco, sin embargo por el tipo de material que es granular en temporada de lluvias podría verse un tanto afectado por las escorrentías superficiales como podemos observaren la Fig. 50.
Fig. 50 Cuencas correspondientes a la zona
Un acercamiento de nuestra zona de estudio (Fig. 51) vemos las escorrentías que afectan el túnel en color azul que en nuestro caso son 2 escurrimientos, en los cadenamientos: 4+137.6 y 5+056.9. Por lo que se decide optar por un tratamiento de impermeabilización para prevenir filtraciones perenes.
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Fig. 51 Escorrentía superficiales
Los túneles excavados pertenecen a las construcciones más costosas y complejas de la ingeniería civil por lo tanto el interés para que sigan funcionando durante muchas décadas es una cuestión crucial. La impermeabilización de los túneles ha permitido aumentar su tiempo de uso de una manera importante. Diferentes materiales han sido probados y utilizados como impermeabilización de túneles; las geomembranas han demostrado ser el material más fiable y técnicamente adecuado de todos. Dependiendo de las condiciones locales la geomembrana puede ser formulada para satisfacer exactamente las exigencias del proyecto.
La impermeabilización del túnel estará dada por los siguientes elementos (Fig. 52):
Fig. 52 Elementos de la impermeabilización
a) Soporte: para nuestro caso serán los trabajos de proyección de concreto ya que aparte de cumplir con su objetivo en la excavación, cumple con la impermeabilización primaria de nuestro túnel.
b) Geotextil: El Geotextil es un material textil sintético plano formado por fibras poliméricas (polipropileno, poliéster o poliamidas), similar a una tela, de gran deformabilidad, empleada para obras de ingeniería en aplicaciones geotécnicas (en contacto con tierras y rocas), cuya misión es hacer las funciones de separación, filtración, drenaje, refuerzo o impermeabilización. En este
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caso la impermeabilización la integran un geotextil y una membrana, que son colocados en la fase final de los trabajos, es decir cuando la excavación y el sostenimiento han sido realizados, incluso las operaciones preliminares de recogida de aguas (drenajes) y regularización, y siempre antes del revestimiento estructural.
La impermeabilización de un túnel comprende la membrana como elemento impermeable y el geotextil como capa de protección para los daños mecánicos como para la evacuación de las aguas de filtración.
PROCEDIMIENTO: El geotextil será fijado al concreto proyectado del soporte por medio de clavos de fijación
directa con arandela con el menor número de pliegues. Serán aplicados los clavos necesarios para adaptarlo a la geometría del soporte.
Se colocarán mediante clavos unas arandelas, discos, o tiras del mismo material que la membrana.
Los paños serán colocados de manera transversal al eje del túnel. Tras la aplicación del primer paño, el segundo quedará solapado sobre el anterior en 20 cm como mínimo.
c) Membrana impermeabilizante: La colocación se efectuará transversalmente sujeta a las arandelas anteriormente colocadas, soldadas termoplásticamente (sin ninguna perforación) por medio de máquinas de aire y/o cuña calientes con canal central para control de impermeabilidad.
Su colocación se efectuará manualmente, con andamios apropiados o mediante plataformas elevadoras.
La soldadura entre láminas tendrá un solape mínimo de 8 cm. La Fig. 53 y Fig. 54 muestra el procedimiento de su aplicación.
Fig. 53 Aplicación de Geomembrana
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Fig. 54 Totalidad de Geomembrana
7.4.2 DRENAJE En la Fig. 55 vemos un esquema del modelo para la impermeabilización del túnel, una vez
terminada la impermeabilización del túnel las posibles filtraciones serán dirigidas hacia los hastiales donde en la parte inferior serán captados mediante un tubo de drenaje.
Fig. 55 Sistema de Drenaje.
El tubo de drenaje será una obra construida como se muestra en la Fig. 56, con un tubo con perforaciones que captará mediante media caña y encaminará el agua con pendiente igual a la del propio túnel y un colchón de grava, el agua se captará por escurrimiento de la bóveda, en la parte exterior se captará posibles escurrimientos mediante rejillas que también llegarán a este sistema de drenaje.
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Fig. 56 Captación de escurrimientos
8 PROGRAMA INFORMÁTICO DE CÁLCULO (SAP)
El análisis estructural se realizó el programa;
Es un programa desarrollado por la empresa CSI, Computer and Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU. Desde hace más de 30 años ha estado en continuo desarrollo.
Sirve para procedimientos de modelaje, análisis y diseño estructura. Determina a través del método de elementos finitos la respuesta en términos de fuerzas,
esfuerzos y deformadas en los elementos de área y sólidos, presentando una salida gráfica y por tablas, haciéndolo la herramienta predilecta para ingenieros estructurales dedicados a la investigación, desarrollo de proyectos y construcción.
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ANEXO 1 ‐ ESTUDIO GEOTÉCNICO
ESTRATIGRAFÍA
FRENTE 1 SM- 1 0.00 m. a 0.15 m. Capa vegetal. 0.15 m. a 4.90 m. Primer estrato, formado por una arcilla inorgánica de baja plasticidad
(CL), color café oscuro, de consistencia natural que varía de “firme” a “muy firme”.
4.90 m. a 6.70 m. Segundo estrato, formado por una arena limosa (SM), color café claro, de compacidad relativa que varía de “semi-compacta” a “muy compacta” ó consistencia natural que varía de “firme” a “dura”.
6.70 m. a 11.75 m. Tercer estrato, formado por una grava limosa mal graduada (GP-GM), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”.
11.75 m. a 20.08 m. Cuarto estrato, formado por una grava mal graduada (GP), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”.
. CENTRO DEL TÚNEL SM-2 0.00 m. a 0.15 m. Capa vegetal. 0.15 m. a 1.40 m. Primer estrato, formado por una arena arcillosa (SC), color café oscuro,
de consistencia natural “firme”. 1.40 m. a 3.70 m. Segundo estrato, formado por una arcilla inorgánica de baja plasticidad
(CL), color café oscuro, de consistencia natural que varía de “firme” a “muy firme”.
3.70 m. a 7.30 m. Tercer estrato, formado por una arena limosa (SM), color café claro, de compacidad relativa que varía de “semi-compacta” a “compacta” ó consistencia natural que varía de “firme” a “muy firme”.
7.30 m. a 20.15 m. Cuarto estrato, formado por una grava mal graduada (GP), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”.
FRENTE 2 SM-3 0.00 m. a 0.15 m. Capa vegetal.
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0.15 m. a 1.30 m. Primer estrato, formado por una arena arcillosa (SC), color café oscuro, de consistencia natural que varía de “firme” a “dura”.
1.30 m. a 1.90 m. Segundo estrato, formado por una grava arcillosa (GC), color café oscuro, de consistencia natural “muy firme”.
1.90 m. a 4.90 m. Tercer estrato, formado por una arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL), color café oscuro, de consistencia natural que varía de “firme” a “muy firme”.
4.90 m. a 8.50 m. Cuarto estrato, formado por una arena limosa (SM), color café claro, de compacidad relativa que varía de “semi-compacta” a “muy compacta” ó consistencia natural que varía de “firme” a “dura”.
8.50 m. a 11.20 m. Quinto estrato, formado por una grava limosa mal graduada (GP-GM), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”.
11.20 m. a 20.11 m. Sexto estrato, formado por una arena mal graduada (SP), color café claro, de compacidad relativa “muy compacta”.
RESULTADOS DEL LABORATORIO
FRENTE - 1 SM-1
CENTRO DEL TÚNEL SM-2
FRENTE - 2 SM-3
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BIBLIOGRAFÍA
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ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1 Zona V de Tepalcatepec ......................................................................................................................... 3 Fig. 2 Producción de bovinos en el Estado de Michoacán. ......................................................................... 4 Fig. 3 Aspectos influyentes en el trazo del Túnel. .................................................................................... 6 Fig. 4 Perfil del tramo ...................................................................................................................................... 6 Fig. 5 Trazo del Tunel ....................................................................................................................................... 7 Fig. 6 Perfil Longitudinal del túnel ................................................................................................................. 8 Fig. 7 Relieves que atraviesa el Túnel ............................................................................................................ 8 Fig. 8 Sección Tipo Bóveda .............................................................................................................................. 9 Fig. 9 Perfil Longitudinal de paso del Túnel ............................................................................................... 10 Fig. 10 Clasificación de Excavabilidad según Romana. ............................................................................. 10 Fig. 11 Tipo de excavación según Romana. .................................................................................................... 11 Fig. 12 Longitud de Soporte según Lauffer. .............................................................................................. 12 Fig. 13 Estabilización de paredes según Lauffer ...................................................................................... 12 Fig. 14 Revestimiento recomendado por Lauffer. ..................................................................................... 13 Fig. 15 Buzamiento ........................................................................................................................................... 17 Fig. 16 Revisión de la zona anticlinal ............................................................................................................ 17 Fig. 17 Eje de Túnel paralelo al eje anticlinal. ........................................................................................... 18 Fig. 18 Eje de Túnel paralelo al eje anticlinal ............................................................................................ 18 Fig. 19 Distribución de los Sondeos ............................................................................................................. 19 Fig. 20 Geometría emboquillado Frente 1 ................................................................................................... 20 Fig. 21 Dimensiones de Corte Inicial ............................................................................................................ 20 Fig. 22 Geometría Frente 2 ........................................................................................................................... 21 Fig. 23 Cortes Frente 2 .................................................................................................................................. 21 Fig. 24 Detalle de emboquille. ....................................................................................................................... 22 Fig. 25 Perfil IPR estructural ....................................................................................................................... 22 Fig. 26 Características geométricas de las cerchas ................................................................................ 23 Fig. 27 Perfil HEB como ejemplo de colocación para un falso túnel ..................................................... 24 Fig. 28 Concreto Proyectado ......................................................................................................................... 24 Fig. 29 Especificaciones de aditivos en concretos y morteros proyectados. .................................... 25 Fig. 30 Especificaciones para la utilización de concretos y morteros proyectados por vía húmeda. ............................................................................................................................................................................... 27 Fig. 31 Diseño de mezcla de concreto proyectado vía seca .................................................................... 28 Fig. 32 Colocación de malla electrosoldada ................................................................................................ 29 Fig. 33 Brechas auxiliares. ............................................................................................................................. 32 Fig. 34 Cargas actuantes para un túnel tipo Boveda. ............................................................................... 33 Fig. 35 Hoja de Cálculo en Exel para el cálculo de las Presiones actuantes. ...................................... 34 Fig. 36 Valores empíricos del coeficiente de resistencia f del método de Protodiakonov ............. 35 Fig. 37 Tipificación de suelo según Terzagui. ............................................................................................ 35 Fig. 38 Distribución de cargas en el Túnel ................................................................................................. 36 Fig. 39 Presiones ejercidas en el contorno del Túnel. ............................................................................. 37 Fig. 40 Presión vertical ................................................................................................................................... 37
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Fig. 41 Presión vertical vista 3D ................................................................................................................... 38 Fig. 42 Presión horizontal............................................................................................................................... 38 Fig. 43 Presión horizontal vista 3D .............................................................................................................. 39 Fig. 44 Cerchas HEB 160 ................................................................................................................................ 39 Fig. 45 Concreto f´c 250kg/cm2 ................................................................................................................. 40 Fig. 46 Deformaciones .................................................................................................................................... 40 Fig. 47 Deformaciones vista 3D .................................................................................................................... 41 Fig. 48 Modelo Finalizado ............................................................................................................................... 41 Fig. 49 Modelo Finalizado ............................................................................................................................... 42 Fig. 50 Cuencas correspondientes a la zona ............................................................................................. 43 Fig. 51 Escorrentía superficiales ................................................................................................................. 44 Fig. 52 Elementos de la impermeabilización ............................................................................................... 44 Fig. 53 Aplicación de Geomembrana ............................................................................................................ 45 Fig. 54 Totalidad de Geomembrana.............................................................................................................. 46 Fig. 55 Sistema de Drenaje. .......................................................................................................................... 46 Fig. 56 Captación de escurrimientos ............................................................................................................ 47
