3.Implantación Placa vs Balasto

Implantación de Vía en Placa VS Vía en Balasto

Mario Ferreiro Casal Jefe de Departamento de Tecnología de Vía DIRECCIÓN DE VÍA Y EXPLOTACIÓN 1

5 y 6 de Octubre de 2010

ÍNDICE 1. Introducción ó 2. Criterios de implantación p 3. Influencia de la infraestructura 4. Análisis técnico económico 5 Consecuencias sobre la inversión y el 5. mantenimiento 6 Consecuencias 6. C i medioambientales di bi t l

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7. Referencias Normativas

1. Introducción Esquema General de Capas de Vía sobre Balasto

Esquema General de la Vía en Placa

Distribución Distrib ción de tensiones en las capas y superficies de contacto

3 3

1. Introducción

Razones para la inclusión de la vía en placa 9 Condiciones de geometría invariable. 9 Necesidad de disminución del coste de mantenimiento (Objetivo: vía sin mantenimiento) → Fundamental en túneles largos. 9 Aumentar la disponibilidad de la vía (menos cortes). 9 Protección ambiental: • Escasez y rechazo a las canteras de balasto • Posibilidad de utilizar áridos marginales • Necesidad reducción altura en túneles

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9 Conveniencia de reducir el peso total de la superestructura en puentes → Idónea para estructuras.

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (1) Implantación de vía en placa

Toma de decisiones en fase de proyecto

Análisis de múltiples factores •Explotación de la línea •Plataforma o ferroviaria e ov •Trazado geométrico

¿Totalidad de línea? ¿Tramos?

•Necesidad N id d d de resolver l problemas específicos

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ESTUDIO ESPECÍFICO DE CONDICIONANTES Y TIPOLOGÍAS

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (2) Ventajas generales de la vía en placa •Bajo mantenimiento

•Alto coste de construcción

•Alta disponibilidad

•Menor rendimiento constructivo

•Optimización de infraestructura (túneles, viaductos) •Mejor comportamiento vibratorio •Limpieza •Permeabilidad de tráfico 6

Desventajas generales de la vía en placa

•Acceso A y evacuación ió ante t accidentes id t

•No adecuada para terraplenes/baja calidad •Inexperiencia p en determinadas condiciones

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (3) ANÁLISIS ECONÓMICO EN ESPAÑA: MODELO VALOR ANUAL NETO (VAN) TRÁFICO MEDIO VÍA EN BALASTO

Costes de Inversión Inicial

930.000

Costes de Mantenimiento (anuales)

43 500 43.500

VÍA EN

Costes de Inversión Inicial

PLACA

C Costes d de Mantenimiento M i i (anuales) ( l )

*Costes en €/Km línea tipo AV

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(Datos orientativos de PEM sin consideración de desvíos)

1.307.000 20 1 20.717 47% aprox.

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (4)

¿Vía en placa o vía sobre balasto? ™ La L respuesta t a esta t pregunta t debe d b ser objeto bj t de d un análisis áli i multicriterio. lti it i ™ Análisis minucioso de ventajas e inconvenientes. ™ Análisis de las experiencias de otros casos.

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™ Circunstancias particulares. particulares

• A ALGUNO OS ELEM MENTOS A TENER R EN CUE ENTA 9

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto) Toma de decisiones (5) • El trazado y la sección transversal: rampas, rampas peraltes, peraltes entrevías entrevías. • Rigidez vertical. • Tolerancias geométricas y su mantenimiento. • Vuelo V l de d b balasto. l • Aspectos constructivos: rapidez, disponibilidad de balasto.

• Aspectos económicos: Coste del Ciclo de Vida. • La vía sobre balasto cuesta el 50% que la vía sin balasto. • El mantenimiento de la vía sin balasto es el 30% del correspondiente a una vía con balasto. • La vía sin balasto requiere actuaciones singulares en terraplenes, desmontes y cuñas de t transición i ió → IIncremento t d de llos costes. t • Aspectos medioambientales: ruido. • Disponibilidad de la infraestructura. Reparaciones. • Descarrilos. • Acceso de vehículos de carretera. • Transiciones.

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (6) • REQUISITOS

• Velocidad de proyecto (¿V>220 km/h?) • Cargas de tráfico. • Mínimo impacto en la explotación en caso de actuaciones en líneas operativas. • Resistente a algún condicionante específico (heladas/calor/salinidad/agua/ (heladas/calor/salinidad/agua/…)) • Limitaciones acústico-vibratorias y eficacia del sistema ante las mismas. • Rendimiento constructivo y plazo de ejecución. • Mantenimiento M t i i t y posterior t i asistencia. it i • Facilidad de sustitución en caso de deterioro. • Coste de implantación. • Vida útil.

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• Permeabilidad de paso transversal de vehículos/personas.

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (7) • CONDICIONANTES

• Longitud del tramo • Geología • Geotecnia • Ruido emitido • Vibraciones producidas por el sistema Æ frecuencia propia del sistema • Existencia de desvíos • Rampa máxima • Radio mínimo • Separación de sujeciones/traviesas • Velocidad máxima exigible • Condicionantes de montaje

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ADAPTACIÓN A LAS NECESIDADES Y REQUISITOS DEL PROYECTO

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

Toma de decisiones (y 8)

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MATRIZ DE COMPARACIÓN

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

En Plena Vía: Análisis de Deficiencias de la Vía sobre Balasto (1) ™Deterioro del Balasto: Es fuerte por tensiones de compresión bajo traviesa y tracción entre traviesas debidas a la carga vertical del eje ferroviario. Deteriora calidad de vía Además este puede incrementarse debido a: - Velocidades más elevadas - Subsuelo o soportes duros (obras de fábrica, losas,…) - Elevadas cargas por eje - Ninguna o insuficiente deflexion del carril (por rigidización de elementos bajo carril) - Progresiva contaminación (atmosférica, desgaste, capas inferiores) 13 13

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

En Plena Vía: Análisis de Deficiencias de la Vía sobre Balasto (2) ™ Inadecuada transmisión de tensiones a capas de asiento y plataforma

Efectos superiores a medida que hay: - Velocidades más elevadas - Mala calidad del subbalasto granular - Mala ejecución de las explanaciones (compactación deficiente y/o asientos irregulares) 14 14

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

En Plena Vía: Análisis de Deficiencias de la Vía sobre Balasto (3) ™Succión o “vuelo” del Balasto: Surge por efecto aerodinámico, a partir de 270 km/h El efecto se hace más fuerte a: - A velocidades más elevadas - Si hay un mal perfilado (balasto por encima de cara superior de traviesa) - Si se forma hielo - Si los trenes poseen un carenado muy bajo

Surge además de una colisión de partículas, y siempre hay una primigenia que pone las demás en marcha (Proyecto AURIGIDAS-ADIF) AURIGIDAS ADIF) 15 15

2. Criterios de implantación (Vía en placa VS Vía en balasto)

En Plena Vía: Análisis de Deficiencias de la Vía sobre Balasto (y 4) ™Falta de uniformidad (heterogeneidad) de la rigidez vertical de vía:

Se hace más acusada con el tiempo por la rigidización progresiva de los elementos elásticos (pads bajo carril y balasto) Resistencia lateral insuficiente ante fuerzas Transversales sobre todo a velocidades elevadas (Criterios de Preud’homme Preud homme (riesgo de desplazamiento) y de Nadal (riesgo de remonte de rueda))

Tiempos necesarios para la mantenibilidad de la infraestructura diariamente (3 ó 4 horas). Acorta su disponibilidad (dificulta servicios de mercancías en horario nocturno de baja demanda de viajeros) 16 16

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa en Explanaciones (1)

Necesita unas condiciones de soporte muy superiores a la vía sobre balasto, dado que por su rigidez, corre peligro de descalce o de rotura por flexión si tiene falta de superficie de apoyo en algún punto Tipo de Sistema de Vía en Placa

Deflexión Dinámica Máxima en Plataforma

Asientos Remanentes Máximos en Plataforma

VÍA SIN BALASTO MONOLÍTICA

< 0,1 mm

0

LOSA FLOTANTE

1.200 kg/cm2

100% Proctor Modificado

Ev2> 800 kg/cm2

95% Proctor Modificado

Ev2> 600 kg/cm2

20 20

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa sobre Terraplén (3) - Controlar el asiento del terraplén, pudiendo establecer una curva de evolución previsible, pudiendo prescribir iniciar el montaje de la placa solo cuando se estime que se ha alcanzado el 90% del asiento natural. También es posible ordenar (de forma extraordinaria) precarga del terraplén u otras medidas de estabilización

21 21

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa sobre Terraplén (4) - Pensar en que posibilidades de reajuste puede tener la rasante con una curva de acuerdo en alzado, adecuada para la velocidad de explotación prevista, si se producen los asientos, siempre que la regulación de la sujeción y sistema de placa lo permita (normalmente se limita a 5 mm. menos)

21 ((a - 5 mm))

2 22

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa sobre Terraplén (y 5)

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Vía en placa Rheda 2000 y Edilon sobre terraplén

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa sobre Desmontes (1) Si se quiere montar vía en placa sobre desmontes, hay dos medidas a tomar: ™ Sanear el cimiento si es un suelo con cierta capacidad portante, mejorando impermeabilidad y estabilidad del terreno

™ Realizar obras especiales de apoyo en cimientos i i d de suelos l con escasa o nula capacidad portante o bien muy deformables (Ej: Holanda y Japón) 24 24

3. Influencia de la infraestructura

En Plena Vía: Vía en Placa sobre Desmontes (y 2) También es recomendable exigir materiales de soporte de gran calidad (suelos QS3/QS2/QS1 y subbalasto), seguir el cumplimiento estricto de las rigideces y compactación de las capas y sus materiales e intensificar el control sobre los mismos

Tipo de Material SUBBALASTO CAPA DE FORMA (Material QS3)

SUELO CALIDAD QS3/QS2 (Desmonte) /QS1 (Desmonte)

Compactación

Rigidez Vertical

No Aplica

Ev2> 1.200 kg/cm2

100% Proctor Modificado

Ev2> 800 kg/cm2

95% Proctor Modificado

Ev2> 600 kg/cm2 Ev2> 450 kg/cm2

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3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (1) Consideraciones a tener en cuenta con respecto a la Vía sobre balasto Se acrecientan las tensiones sobre el balasto en la explotación al establecer un contacto rígido con las superficies de hormigón aumentado por el confinamiento. Asimismo, las labores de bateo habitual para nivelación o alineación pueden contribuir a que el deterioro del balasto sea mayor en estas zonas. Con altas C lt exigencias i i d de explotación l t ió puede d ser necesario colocar bajo traviesa, o sobre la superficie de la losa elementos elastoméricos que propicien la bajada de la rígidez, así como de l d la dureza d dell contacto, t t para b bajar j ell d desgaste t y tensiones de las partículas de balasto. En circunstancias especiales se pueden colocar sistema de sujeción más elásticos

26 26

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (2) • Campo p de reciente aplicación p de la vía sin balasto. Se puede proyectar específicamente el viaducto para un sistema de vía en placa y para una tipología en concreto, teniendo en cuenta el p peso p propio p ((carga g muerta)) q que incrementan estos sistemas

•Mayor ventaja

Ventajas

• Se puede disminuir el factor de amplificación dinámico admisible para la estructura debido a la mejor calidad continua de la geometría de vía • Menor carga muerta aportada por superestructura.

L < 25 m

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Casos de viaductos

L > 25 m

Posibilidad de realizar la placa continua en toda su longitud.

Construcción por segmentos (3,5 - 7 m)

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (3) ™Compatibilidad de los movimientos verticales tablero-losa tablero losa portante vía en placa (por libertades de giro y movimientos relativos).

Se deben asegurar

™Compatibilidad de los movimientos longitudinales tablero-carril por efecto térmico. ™Limitación de movimientos transversales del tablero respecto a estribos o de tableros independientes entre sí.

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™Correcta transmisión de esfuerzos transversales y longitudinales g a la estructura.

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (4) Limitación de giros en el tablero

Aspectos de Interacción Vertical: ƒ Cuantificación y limitación de esfuerzos de tracción sobre sujeción debidos a flexión de viaducto al paso de trenes ƒ Aceleración vertical del tablero ƒ Alabeos del tablero y totales ƒ Limitación de giro (Φ)de los extremos del puente LIMITACIONES DE GIRO Viaductos Vi d t para Vía Ví Única Ú i Tan Φ = 0,03 %

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Viaductos para Vía Doble Tan Φ = 0,05 %

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (5) Compatibilidad de movimientos y correcta transmisión de esfuerzos ™Consideración de esfuerzos de frenado longitudinales mediante sujeciones deslizantes o disposición de zócalos retenedores o anclajes

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™Consideración de esfuerzos transversales longitudinales mediante armado de cosido, anclajes o disposición de zócalos longitudinales

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (6) Compatibilidad de movimientos y correcta transmisión de esfuerzos

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Rheda 2000 en viaducto con retenedores p positivos (AV ( Taipei p – Kaohsiung) g)

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (7)

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Compatibilidad de movimientos y correcta transmisión de esfuerzos

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (8) El calculo de esfuerzos puede hacerse mediante la aplicación del tren de cargas UIC 71, o bien usando el modelo de carga pesada SW0

3

Hay que realizar una capa de separación entre la losa portante y el tablero, que también lo es de protección, que es normalmente HGT (ligada hidráulicamente).

También se debe realizar en tableros de vía doble la impermeabilización p de la entrevía (p (por ejemplo, j p con material bituminoso), si la losa portante no llega a cubrirla. 33

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (9) Teniendo en cuenta las diversas normativas de dimensionamiento (IAPF Y Eurocódigo): - Los coeficientes de seguridad de cargas de peso propio de la vía en placa son idénticas a las del peso propio estructural. - Con vías en placa no se consideran ripados que den esfuerzos transversales en tableros. - Se puede considerar si es losa portante de hormigón, como colaborante estructural, si se han dispuesto armaduras transversales de cosido losa-estructura resistente del tablero. - Hay limitaciones a los asientos máximos del viaducto. Tipo de Material VIADUCTOS

ASIENTOS MÁXIMOS (Asiento residual) Ar = (Ajuste máximo sujeción) As – 5 mm (5 mm Coeficiente de Seguridad) Ad = 2 mm (Asiento diferencial) Ad/L = 1/2000

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3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (10) Aspectos de Interacción Longitudinal: Juntas de placa en zonas de juntas de tablero Hay que analizar la conveniencia de colocar Aparatos de Dilatación: - En parte móvil de viaductos metálicos si tienen más de 60 metros de longitud dilatable - En parte móvil de viaductos hiperestáticos de hormigón con más de 90 metros de longitud dilatable - Si el análisis de tensiones de carril superan 72 N/mm2 en compresión y 90 N/mm2 en tracción

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3. Influencia de la infraestructura

36

Vía en Placa en Viaductos (11)

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Viaductos (y 12) • NOTAS DESTACABLES: • Cada estructura requerirá un estudio particularizado (IAPF 07 y consideraciones adicionales). • Las implicaciones estructurales para vía en placa segmentada son menores. • La segmentación g debe p permitir adaptarse p a la deformada. Separación p entre segmentos de 10cm. • Dimensionamiento de retenedores según segmentación (reparto de cargas longitudinales y transversales). • La VEP permite un mayor reparto (45%) y una optimización de la sección transversal. • Verificación de criterios de deformada y giros. • Estudio particularizado de interacción vía – tablero.

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• Cuidado en ejecución Æ modificaciones complicadas.

3. Influencia de la infraestructura

En Túnel: Análisis de Deficiencias de la Vía sobre Balasto (1) La altura constructiva de la vía sobre balasto es mucho mayor que la de la vía en placa placa, con lo que es mayor la sección de excavación. Se tiene las actividades de mantenimiento de vía con balasto dentro del túnel, las cuales (bateo y desguarnecido) poseen grandes dificultades de ejecución ejecución. La estabilidad y disponibilidad de la vía será más difícil, y además el acceso al túnel siempre suele ser complicado. Hay dificultades de evacuación a pie de los viajeros en caso de incidencia, así como de acceso a los vehículos de emergencia. Suele haber asientos debidos a la inestabilidad del balasto, balasto y contaminación de las capas y presencia de agua agua, dado que suelen colmatarse los medios de drenaje de la vía dentro del túnel.

38 38

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Túneles (1) Se puede proyectar específicamente la contrabóveda del túnel para un sistema de vía en placa y para una tipología en concreto, teniendo en cuenta el peso propio (carga muerta) que incrementan estos sistemas. Se puede considerar si es losa portante de hormigón, como colaborante estructural, si se han dispuesto armaduras transversales de cosido losa-estructura resistente de contraboveda. Lo normal es que no haya movimientos transversales ni longitudinales (debido a la estabilidad térmica en el interior del túnel) que haya que compatibilizar. Debe disponerse un sistema de impermeabilización y drenaje adecuado para la vía en placa. Los asientos máximos en túneles deben estar limitados de la forma siguiente: Tipo de Material TÚNELES

ASIENTOS MÁXIMOS (Asiento residual) Ar = (Ajuste máximo sujeción) As – 5 mm (5 mm Coeficiente de Seguridad) Ad = 0 mm (Asiento diferencial)

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3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Túneles (2) Es la infraestructura más compatible para el montaje de vía en placa

40 40

3. Influencia de la infraestructura

Vía en Placa en Túneles (y 3) Ví en placa Vía l Edil Edilon (Alcobendas) (Al b d )

Vía en placa Sinkansen 41

3. Influencia de la infraestructura Utilizaciones generalizadas en túnel en España: Eje Atlántico Tramo a o

Túnel ú e nº Long. o g

((m))

Observaciones Obse ac o es

VARIANTE DE BREGUA (1)

1

2.897,50

Finalizado y en servicio

VARIANTE DE QUEIXAS

1

2.140

Finalizado no en servicio

1

233

Finalizado no en servicio

2

954

Finalizado no en servicio

1

370

Finalizado y en servicio

2

480

Finalizado y en servicio

1

502

Finalizado y en servicio

2

3.032

Finalizado y en servicio

OSEBE-SANTIAGO

1

168,4

Finalizado y en servicio

PADRÓN-OSEBE

1

811

Finalizado y en servicio

PORTAS II (PORTAS – VILAGARCÍA)

1

2.431

En ejecución

PORTAS I (PORTELA – PORTAS)

1

3.693

En ejecución

MEIRAMA – BREGUA

1

3.469

En ejecución

CERCEDA – MEIRAMA

1

1.510

En ejecución

POCOMACO – SAN CRISTÓBAL

1

383

En ejecución

1

335

2

1818

ORDES – QUEIXAS

VARIANTE DE ORDES

VARIANTE DE BERDÍA(1)

42

UXES – POCOMACO

TOTAL

En ejecución

25.226,90

3. Influencia de la infraestructura

43

Utilizaciones generalizadas en túnel en España: Guadarrama ™

Doble túnel de 28.400 m

™

Sistema Rheda 2000

™

Rendimientos ≈ 150 m/día

3. Influencia de la infraestructura

Transiciones Vía en Placa – Balasto (1)

Recomendaciones: • Evitar E it realizar li transiciones t i i placa-balasto l b l t sobre b ttransición i ió de d iinfraestructura. f t t • Adaptación de rigideces en 3 etapas, en una longitud total de L [m] = 1/2 V [m/s] • Evitar E it ell balasto b l t encolado. l d

4

• Instalación de carriles suplementarios para mejorar el reparto de cargas.

3. Influencia de la infraestructura

Transiciones Vía en Placa – Balasto (y 2)

45

Guadarrama Norte

3. Influencia de la infraestructura

Resúmen Las realizaciones de vía en placa sobre obras de tierra o explanaciones suelen tener muchas limitaciones, y requieren realizaciones técnicas complejas (tratamiento de materiales, obras de soporte especiales, procedimientos de trabajo extraordinarios…), sobre la infraestructura que encarecen mucho la realización de al misma, i con costes t d de iinversión ió d de entre t 1 1,5 5 a 3 veces en cuanto t a coste t por kkm., en relación l ió all kkm. d de vía í sobre b balasto La instalación de vía en placa en viaductos, requiere obras de conexión y transiciones de rigidez, que no suponen un encarecimiento i i t tan t extraordinario, t di i aunque ell ratio ti d de coste t d de iinversión ió en relación l ió con ell balasto es alto (de 1,3 a 2) Los túneles y son el espacio más obvio y sencillo para la instalación de vía en placa, siendo bajo el ratio de inversión con la vía sobre balasto (entre 1 1,1 1a1 1,5) 5) aunque su instalación debería estar en relación a una longitud significativa de túnel Deben imponerse en general criterios de homogeneidad de implantación en tramos de gran longitud por homogeneidad del mantenimiento a emplear El coste de inversión no es el único baremo a tener en cuenta, también los ahorros en coste de mantenimiento a lo largo de toda la vida útil de la estructura, o coste de ciclo de vida (LCC) 46 46

4. Análisis técnico económico

Análisis técnico – económico (1) ƒ Un estudio completo de viabilidad de construcción de vía en placa debe constar (al menos) de dos análisis: el técnico y el económico.

A áli i técnico Análisis é i

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1.- Análisis de cada tramo 1. según superestructura

2 - Análisis de posibles localizaciones de 2. problemas en cada tramo de estudio

4. Análisis técnico económico

Análisis técnico – económico (2) PARÁMETROS

VENTAJAS

Resulta menos sencillo realizar cambios den la geometría y en el esquema de vías.

Parámetros del trazado.

48

An nálisis téécnico

Altura del plano d lla vía. de í

INCONVENIENTES

Se puede reducir la sección de los túneles por presentar t una cota t 20 cm inferior. i f i

Comportamiento No se han constatado diferencias en el Se debe procurar introducir el de marcha de comportamiento de marcha para V