Manual de Construccion de Tuneles

Acción del sostenimiento

105

Ho rmigón p royectndo

106

-

Geízeralidades

18

Bzdoms

115

Trazado erz almdo

19

Cerchas

120

Sección ti'arzsuersd

20

Tratamientos especiales

122

Elementos de segzzli-in'ríd

23

Bibliopnfza

125

Bibliogrnftn

25

Generalidades

128

Medidas de coíz vergencin

129

Reconociwzierztos previos

29

Geoflsicn

33

Sondeos

38

Fonn tdaciÓ?z eldstica

-

Medida de asientos szqei-ficiales

130

Extensónzet~-i.os e incli~zómetros

131

Células de cnrga y de p resió~z

133

Represe?ztn.cióizde datos e i~zteipetnciózde resuhados

134

Bibliopafza

135

Iíztl'oducción

138

-

I7rzpel"wzeabi/izaciÓn

138

D~qenajelorzgitudimd

140

Revestimiento

141

EIJin7;)e

144

Elementos laterales

146

Bibliografta

147

66

¡Wétodo de las cwruas carncteristicas

68

Método de lns reaccioizes /%pemtdticas

69

fifétodo de los ele~~zentosfE~~itos

71

Estabilidad de las boqztillas del ttinel

150

0t140s~nétodosIZ zl~néricos

75

Posición del emboquille

154

Arquitectura de las bocas del tzirzel

155

Bibliografzn

157

Control de ld excmmióíz

160

Control de soste7zimie?zto

'161

Geízeralidades

80

Excavación mediante pe-foraciórz y uoladzirn

81

Excavación ~nechzica

92

Exti'ncción del esc0mbi.o

96

Elección del sistema de excavnción

97

Fases de la excavación

99

Bi bliografza

101

-

-

-

-

Coízt~olde la inzper~7zeabilizació~z 31del revestimiento

162

Bi bliopfzn

163

I~ztroon'l~cciÓ?~

166

196

166

Introdz~cción Chteiios de elección de enui~os

Protecciones persolzahs Protecciorzes colectivas

166

Instalacioms de gestión del trd$co

198

Precazrcioms en las labores del tzinel

168

Eqzlipos de lzrclja contra incendios

199

Otros equipos de explotación y seguridad

200

Bibliograja

201

Patologias de thzeles

204

Métodos de estt~dio

205

Métodos de repaiaciórz

209

Mrínterzinziento sistemáticos

210

Generalidades

172

Zorzas de alunzbmio erz los túneles

172

Pnránzentos bdsicos en el cdlculo de la ihzinacihz

173

Equipos de alum brzdo

178

E7izplazanzie7zto11localizació~zde las ~z~minarzl-2~ 179 Co7zdicio~esde servicio de una instalación de ilz~mirzacióíz

180

Tipos de ve?ztilación

184

Almzce de la verztilación ízatural

186

Dete~rzirzacióizde las necesidades de aire fresco

186

Diser'io del sistema de verztilación

191

197

El Departamento de Transportes y Obras Públicas del GOBIERNO VASCO, dentro de las actividades de planeamiento de infraestructuras viarias, ha considerado conveniente la redacción de un Manual de Criterios Técnicos relacionados con el Proyecto, Construcción y Explotación de los Túneles de Carretera. Este manual puede facilitar y dar uniformidad de criterio al proyecto y la ejecución de nuevos túneles en el País Vasco, que en los próximos años será necesario construir, por exigencia de la accidentada topografía de la zona, con objeto de dotar al territorio de una red de carreteras y autopistas de calidad. La redacción del Manual ha sido encargada a GEOCONSULT, Ingenieros Consultores S.A., que lo ha llevado a cabo e trabajo puede considerarse continuación y adaptación como libro de consult estudio anterior, titulado "Criterio para Proyecto de Túneles de por INTECSA en 1989 bajo encargo igualmente del Departam Obras Públicas del GOBIERNO VASCO. En el presente Manual se ha tratado de recoger el e relación con el proyecto y ejecución d amplio y abarca contribuciones de varias ramas de I Mecánica de Rocas al Trazado de Obras Lineales los Métodos de Excavación. El conjunto del Manual se ha dividido en 15 c que pueden considerarse agrupados en cu PROYECTO, trataría de los temas r capitulos 2 al 5 : trazado, definición de caracterización del macizo rocoso y La segunda parte se refire a LA EJECUCI ocupa de los aspectos tecnológicos o p túneles de carretera: métodos de (fundamentalmente hormigón proyect bilización, drenaje, etc. También se específicos del control de calidad de trabajadores en las obras subterráneas.

La tercera parte está dedicada a LAS INSTALACIONES, ocupando los capitulas 12, 13 y 14 y trataría de los tres temas principales relacionados con los túneles de carretera: la iluminación, la ventilación y la seguridad y control. Por último, se ha incluido un capítulo, el número 16, dedicado al MANTENIMIENTO, en su aspecto únicamente técnico, es decir, patología de túneles y reparación de los mismos. Dentro del amplio abanico de los túneles, en el presente Manual se ha tratado de reunir únicamente la información relativa a los llamados túneles de montaña, es decir, túneles generalmente interurbanos de carretera o autopista en terrenos rocosos, excavados en el interior del macizo rocoso. Así pues, no se consideran aquí los aspectos constructivos de los falsos túneles urbanos, excavados al abrigo de pantallas, o túneles subfluviales mediante cajones, o túneles excavados en mina en terrenos sueltos, ya que el diseño y construcción de estos túneles requieren un tratamiento más específico que se sale de los objetivos de este Manual. El tratamiento que se ha dado a cada tema tiene la adecuada amplitud

como para dar una idea suficientemente detallada del estado actual de la técnica de construcción de túneles, aunque sin profundizar tanto que haga farragosa su lectura. De esta forma, en el apartado de cálculos, por ejemplo, no se ha descendido hasta el nivel de formulación matemática, sino únicamente se ha descrito la Tilosofía de cada método y sus posibilidades.

El diseño geométrico del túnel es de gran importancia, tanto desde el punto de vista del usuario de la carretera, como desde el punto de vista de la construcción y del mantenimiento del túnel. Generalmente el trazado en planta y alzado del túnel dependen del trazado del resto de la carretera y de las características de ésta, con la que tiene que mantener una cierta homogeneidad, y suele ser más bien un parámetro de entrada al diseño del túnel que un resultado de éste. Por el contrario, el diseño de la sección tipo suele obedecer más a aspectos propios del túnel (geología, método constructivo, instalaciones, etc.), que a datos generales de la carretera, por lo que se puede independizar del resto de la misma. El diseño geométrico se basa generalmente en la experiencia de túneles anteriores, a partir de los que se han obtenido una serie de recomendaciones de tipo general, que son las que se incluyen en este capítulo. No obstante, cada caso concreto puede tener unas particularidades que condicionen una determinada solución, que puede llegar a ser, incluso, contraria a las recomendaciones generales.

El trazado en planta generalmente viene determinado por la traza general de la carretera y normalmente no puede variarse de forma sustancial. Si es posible, deberán tenerse en cuenta los factores geológico-geotécnicos existentes y se procurarán evitar los puntos o zonas conflictivas: fallas, zonas alteradas, emboquilles complicados, etc. Para la serie de aspectos concretos del trazado en planta señalados a continuación, se han establecido unas recomendaciones en base a la experiencia de túneles anteriores '": Se recomienda que el trazado de la aproximación al túnel sea tal, que la boca de éste sea visible por el conductor 1 5 segundos antes de llegar hasta ella, en cualquier circunstancia. Es decir, si V es la velocidad de proyecto de la carretera en Kmlh, la boquilla debe ser visible desde una distancia mínima dada por la expresión: L= 4.17V donde L está dado en metros. Por otra parte, para evitar el deslumbramiento debido a la luz del día en túneles largos, es conveniente disponer una curva cerca de las bocas de salida con objeto que desde dentro del túnel no sea visible el exterior. 3:QllkL~S.-

EI\!LACES D54TGG @ E L i ú i d ~ ~Se . -procurarán evitar los enlaces, tanto entradas como salidas, dentro del túnel. Si son inevitables, se reforzará la iluminación en dichas zonas. Las bifurcaciones se señalizarán antes del túnel para que cada vehículo entre ya a éste por el carril correspondiente a la salida que vaya a tomar y, de este modo, evitar, en lo posible, los cambios de carril dentro del túnel. E:i:LA,CZI; ?3Y;Ofl;Oc; AL TL'WEL.-Se recomienda una distancia mínima de 300 metros entre las boquillas de un túnel y cualquier entrada, salida, peaje, etc. existente en la carretera.

?i'i3"3ii.i3/.2

E!\J

LAS C U R V A S . - Dentro del túnel se debe mantener una distancia de

visibilidad mínima superior a la distancia de parada en caso de una incidencia. El Centro de Estudios de Túneles de Francia (CETU) ha elaborado un modelo que relaciona la

Hastial

8e despreciando el término en e2. E l valor de e dependerá de las anchuras de arcenes y aceras adoptadas para la sección tipo del túnel, y es distinto según sea la curva a derecha o a izquierda (véase figura 2.1). Por su parte, la distancia de CASO DE CURVA A IZQUIERDA CASO DE CURVA A DERECHA parada se da en la tabla 2.1 en función de la velocidad del vehículo en Km/h. Se debe corregir dicho valor según la pendiente conforme a lo indicado en la tabla 2.2. Se puede partir de un radio dado y obtener la velocidad máxima admisible en el túnel o, a la inversa, para una velocidad de proyecto fija, calcular el radio mínimo dentro del túnel.

\

Distancia de visibiliáud en un túnel en curva

r

velocidad de proyecto, la pendiente del trazado y el radio de curvatura mínimo admisible. En la figura 2.1 se observa que en una curva de radio R, la distancia de visibilidad d depende de la distancia del observador al hastial del túnel e. La expresión correspondiente es: R- @

DISTANCIA DE PARADA EN RECTA Y CON EL SUELO SECO

35

55

,;5

110 125 120 1-iO

- -- - - - -

VELOCIDAD ( IKm I h )

40

-6% -4% -2% O +2% +4% +6% ------I I 1 O -1 -1 -1 --- -- ----

Una primera condición para el trazado en alzado de un túnel es el drenaje de las aguas que afloran al mismo procedentes del terreno. Se debe asegurar una pendiente mínima de un 0.2% a un 0.4 % (según el CETU) para evacuar las aguas. Asimismo, deben evitarse los acuerdos cóncavos que produzcan puntos bajos, pues se necesitaría en ellos disponer un bombeo para impedir la acumulación de agua. Por otra parte, se recomienda que las rampas no sean superiores al 2% en túneles cortos (menores de 400 m), ni superiores al 1 .S% en túneles largos por las razones que se indican a continuación:

3

La emisión de gases contaminantes de los vehículos aumenta con la inclinación de la rampa y se hace excesiva a partir de un 2% de pendiente. La velocidad de los vehículos pesados se reduce excesivamente en rampas superiores a esos valores, lo que obligaría a diseñar carriles adicionales para vehículos lentos con el consiguiente aumento de coste. La experiencia demuestra que cuanto mayor es la rampa, mayor es la probabilidad de que se produzca una avería de un vehículo, que quedaría inmovilizado, provocando reducción de la capacidad y riesgo de colisión.

Las pendientes descendentes son, por el contrario, beneficiosas por las razones contrarias a las anteriores, aunque en caso de incendio son perjudiciales por el efecto chimenea. En general se aceptan las mismas limitaciones que para el caso de carretera al aire libre. La tabla 2.3 recoge las limitaciones de rampas y pendientes en función de la longitud del túnel, propuestas por la Comunidad de los Pirineos.

Para los acuerdos verticales la condición de visibilidad es la misma que a cielo abierto, por lo que pueden emplearse los mismos criterios en cuanto a las limitaciones de Kv. En túneles bidireccionales no son recomendables los acuerdos convexos por la perdida de trazado, y en ningún tipo de túnel son recomendables los acuerdos cóncavos a causa del drenaje, tal y como se ha indicado anteriormente. En general es conveniente evitar los acuerdos verticales, o en su defecto, diseñarlos con un parámetro Kv amplio. En la tabla 2.4 se muestran los valores máximos propuestos por la Comunidad de los Pirineos.

En el dimensionamiento de la sección transversal de un túnel entran en juego diversos factores: anchura necesaria para la circulación del tráfico, gálibo necesario para la circulación de los vehículos, anchura de las aceras, necesidades geométricas de las instalaciones y equipamientos del túnel y, por último, la propia construcción del túnel. La anchura de los carriles es generalmente de 3.50 metros, salvo los carriles adicionales para vehículos lentos, que son de 3.00 metros. Normalmente no se emplean carriles más estrechos de dichos valores salvo circunstancias excepcionales: carretera de montaña con poco tráfico y prácticamente sin vehículos pesados, en cuyo caso podrían ser válidos carriles de 3.00 metros. El número de carriles debe ser el mismo que en la carretera al aire libre, dependiendo del tipo de vía, de la intensidad del tráfico y del nivel de servicio de la vía. Los túneles de carretera generalmente tienen dos carriles y en ciertas circunstancias tres. Si fueran necesarios cuatro carriles es preferible la opción de dos túneles paralelos de dos carriles A N C H U R A DE LA CP,LZADA

Pel-fZles tipo elz túneles(1)

Pe~ifilestipo e n túneles(1l.l

Perftles tipo en túneles(lll;)

cada uno, ya que las dificultades constructivas crecen aproximadamente con el cuadrado de la anchura del túnel. Los tres carriles se utilizan en túneles unidireccionales con mucho tráfico (en áreas urbanas), o en túneles bidireccionales con rampa superior a un 2%, en que existe un carril para vehículos lentos. La anchura del arcén viene impuesta por el efecto pared, que limita la capacidad de la vía, y por la posibilidad de existencia de vehículos averiados en el lado derecho de la circulación. En túneles se diseñan arcenes entre O y 2 metros, según el tipo de carretera y el nivel de servicio. El arcén derecho de 2.50 metros que es habitual a cielo abierto se considera excesivo para el caso de un túnel. El CETU (1) ha propuesto un catálogo de doce perfiles tipo de dos carriles a emplear según diversos casos. En las figuras 2.2, 2.3 y 2.4 se incluyen estos perfiles y las características de la carretera donde son aconsejables cada uno de ellos. En ciertas ocasiones, en túneles bidireccionales, se ha dispuesto una mediana central entre los dos carriles, materializada o no con una barrera rígida. La solución de barrera rígida central no parece adecuada, mientras que la solución de separar los dos carriles con pintura una distancia de unos 50 cm (caso del Túnel del Cadí), sí parece dar buen resultado.

3,q::aCj

4.50 m

tzinel

1

c\? % ~ y ~ ~ ~El. j gálibo i. mínimo en España es de 4.50 metros, que es la altura

máxima permitida de los vehículos, aunque en autopista/autovía la norma 3.11C señala un gálibo mínimo de 4.75 metros en calzada y 4.50 metros en arcenes y aceras montables. Se suele utilizar el perfil tipo de la figura 2.5, con variación lineal en el arcén entre 4.75 y 4.50 m. Se recomienda además disponer de una reserva de gálibo de 10 cm para prever futuros refuerzos del firme y otros 10 cm por seguridad en caso de falso techo (necesario en el caso de ventir-7--------- - - - - - - - - - -; -7 lación transversal). Para dimensionar la sección 3.501-1t i p o es necesario tener en recomendable cuenta el peralte en curvas y el bombeo en rectas, que suele z m oscilar entre un 1% y un 5%, 82 % ' * ig Vo *q-D E S E G U R ; D , C , D , - LOS nichos

Apartadero

albergan diversas instalaciones de seguridad: poste SOS, extintores, hidrantes, etc.; se suelen disponer cada 100-1 50 metros. Un esquema típico es el de las figuras 2.1 0 y 2.1 1"'. En la figura 2.12 se muestra un esquema en planta de un túnel de autopista (dos tubos paralelos unidireccionales), indicando la situación de cada uno de los elementos de seguridad descritos. Se ha adoptado un módulo de 150 m, de forma que en cada módulo hay un nicho de seguridad, cada dos módulos hay, además, una galería de conexión entre tubos para peatones, y cada cuatro módulos hay nicho, apartadero y galería de conexión para vehículos. Lógicamente, la disposición y distancia entre elementos dependerán de cada caso particular, y en concreto de la longitud del túnel.

A - HASTIALES CURVOS Panel de señalización de nicho

Puesto teléfonico o intercomunicador

L

2.00 min.

j

L..-.

'\Conducción para incendio,

B - HASTIALES RECTOS Panel de serialización de nicho

Puesto teiéfonico o intercomunicador

ESQUEMA DE SlTUAClON DE INFRAESTRUCTURAS DE SEGURIDAD 150

150

150

/N/

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150

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b C A L Z A D A IZQUIERDA

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GALERIAS PEATONALES I ENTRE TUNELES

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GALERIA DE 1 COMUNICACION 1 1, DEVEHICULOS i

ALL LADA DEREEHA

ZONALE APAnTADERo

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DE APARTADERO

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i GALERIAS PEATONALES ENTRE TUNELES

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Situación de infiaestructtira de seguridad en un túnel

(1) Centre dlEtudes des Tunnels (CETU): "Dossier Pilote des Tunnels. 2 - Geométrie", CETU, 1990. (2) Centre dlEtudes des Tunnels (CETU): " Profil en Long dans les Tunnels Routiers", CETU, 1993.

Para el Proyecto de un túnel es de importancia capital el conocimiento del terreno por el cual va a discurrir el mismo. De las características de la roca dependerá el método de excavación, la cuantía de sostenimiento a colocar, las medidas de impermeabilización que se empleen; incluso el trazado puede verse condicionado en ocasiones por las características geológicas de los materiales atravesados. 2 Los objetivos básicos que debe cumplir un estudio geológico previo a la construcción de un túnel son los siguientes: 3 Definir las características físicas del terreno que va a ser atravesado: litología, estructura, presencia de agua,. .. Definir los parámetros que caracterizan el terreno: resistencia a compresión simple, cohesión, rozamiento, permeabilidad,.. . L Definir la aptitud del terreno en orden a la construcción de un túnel, generalmente en base a la experiencia, y ofrecer criterios básicos a utilizar por el diseñador: método constructivo, sostenimiento, medidas especiales,. . . - Expresar el grado de incertidumbre que se mantiene después del estudio, en función del grado de definición de éste, en relación con todo lo anterior. Un estudio geológico completo consta o puede constar de varios métodos de investigación. En general resulta conveniente empezar siempre con los más económicos para obtener una idea general del problema, y pasar luego a los métodos más precisos y más costosos para despejar las incertidumbres que hayan podido plantearse. La tabla 3.1 ofrece una panorámica completa de todos los medios de investigación usados habitualmente, junto con la información que se extrae de cada uno de ellos. Dado que el ámbito del presente manual se reduce a los túneles de carretera excavados en roca, en la redacción de este capítulo nos hemos limitado a este caso. Los túneles en suelos requieren un tratamiento bastante diferente y tienen una tecnología propia.

EXCAVACIÓN Y AUSCULTACIÓN

Compoitnriziento riel inacizo rocoso n escaln red Dedmción de parimetios de la laca p o retmarzilisis ~ de los resultados de /a nrucultncrón

1 iJq4 F pr

econocimientos previos 1 A¡\~,~\;LIs¡sDE LA LITERATURA EXISTENTE La primera aproximación que se debe hacer en todo estudio geológico es la recopilación de toda la información que se pueda conseguir, publicada y no publicada, de la zona de estudio. Ésta permite disponer de gran cantidad de datos aprovechando el trabajo realizado con anterioridad por otros profesionales. La geología a gran escala de todo el país está publicada por el Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE) en su plano geológico a escala 1 :50.000, Serie Magna, que ofrece datos de estratigrafía, tectónica, historia geológica, petrología, hidrogeología y otros. El estudio de esta publicación permite conocer bastantes datos primarios de interés: litología de los terrenos atravesados por el túnel, fallas o pliegues de importancia, periodo geológico al que corresponden los materiales, etc. El ITGE tiene otras publicaciones que pueden resultar interesantes según los casos, entre

ellas está el Mapa Geotécnico General a escala 1 :200.000, aunque no suele aportar muchos datos debido a la pequeña escala a que está realizado. También está disponible el Mapa Hidrogeológico de España, a escala 1:200.000, que ofrece información sobre formaciones porosas, fisuradas y karstificadas, aforos, consumos de agua, inventario de puntos de agua, niveles freáticos y flujos subterráneos de agua, etc. En el ámbito del País Vasco, el EVE (Ente Vasco de la Energía) ha desarrollado unos estudios de gran interés, y tiene publicado el plano geológico del País Vasco a escala 1:25.000. Por otra parte, si en las proximidades del túnel en proyecto existen otras obras civiles o explotaciones mineras de importancia, es muy probable que existan estudios geológicos relacionados con ellas, que pueden localizarse, por ejemplo, en la copia del Proyecto Constructivo correspondiente que normalmente debe estar disponible en el archivo del Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente, Diputaciones Forales, o el organismo competente F O I O G R A F ~ A SACREAS

LOSpares de fotografías aéreas estudiadas estereoscópicamente son de mucha utilidad para los estudios geológicos. Permiten observar accidentes tectónicos, estratigráficos y geomorfológicos con bastante más claridad que si son observados in-situ desde el suelo. Para interpretar adecuadamente las fotos aéreas es necesaria cierta experiencia por parte del geólogo, que debe completar con el reconocimiento sobre el terreno de la zona de estudio. Existen técnicas especiales tales como infrarrojos, fotos en color, oblicuas o investigación con radar, pero el sistema más usado es el de las fotografías verticales en blanco y negro tradicionales, ya que los otros sistemas sólo aportan datos de interés en contadas ocasiones. En librerías especializadas pueden encontrarse fotografías de la totalidad del territorio español, pero tienen el inconveniente de que suelen ser antiguas. Son preferibles las fotos recientes que se hayan obtenido como parte del Proyecto de Túnel, en concreto para elaborar la cartografía, que es un paso previo de cualquier proyecto de carreteras. RECONOCIMIENTOS SUPERFICIALES LOSreconocimientos sobre el terreno completan la información que es posible obtener directamente, sin medios auxiliares. El estudio tomará en consideración la geomorfología de la zona, la hidrogeología superficial y el estudio de afloramientos rocosos. Dentro de la hidrogeología deben estudiarse los siguientes aspectos: surgencias de agua, redes de drenaje superficial, indicios superficiales de karstificación y presencia de vegetación. El estudio de los afloramientos es muy importante, ya que permite caracterizar la roca superficialmente, y tener una idea de cómo se puede encontrar en profundidad. Debe determinarse, por un lado, la litología exacta del afloramiento, y por otro, la caracterización de las juntas presentes en el macizo rocoso. Los parámetros que deben ser determinados para cada familia de juntas observada son los que a continuación se describen: TIPO Y NUMERO DE FAF\RILIAS.- Se

debe determinar en primer lugar el número de familias de juntas presentes en el macizo (generalmente tres), y el origen de cada una: si se trata de una diaclasa, de la estratificación o de algún tipo de esquistosidad.

O R ! E N T A C I ~ NLa . - orientación de una junta se describe mediante el buzamiento y la

dirección de buzamiento, o bien mediante el rumbo y el buzamiento. El significado de cada parámetro se puede observar en la figura 3.1. La orientación de una junta se mide con la brújula de geólogo. Como generalmente es variable de unas zonas a otras, y para

corregir errores de medida, se deben efectuar un número alto de lecturas, en el mismo afloramiento y en otros próximos. Los datos de cada medida se representan en un diagrama estereográfico (figura 3.2), y, mediante una técnica estadística, se obtiene un valor representativo para el buzamiento y dirección de buzamiento de cada una de las familias de juntas presentes en el macizo, que es simplemente el centro de gravedad de los polos más cercanos. Esta Direccion de buzamiento operación se puede realizar manualmente con ayuda de una plantilla o bien mediante ordenador y algún programa comercial. Rumbo=i) ~uzamiento=p Direccion de Buzamiento=a

l-[

Hemisferio

Discontinuidad(K)

E S P A C I A M I E N T O . -El espaciamiento es la distancia existente entre dos juntas de una misma familia, que teóricamente son dos planos paralelos, y debe medirse en la dirección perpendicular a dicho plano. En el campo se mide con cinta métrica, corrigiendo el valor según el ángulo relativo entre los planos en cuestión y el plano según el cual se ha medido (figura 3.3). Es conveniente medir en varios puntos y obtener el espaciamiento medio, pues puede variar de unas zonas a otras. PERSISTENCIA.- La persistencia es la distancia a lo largo del plano que contiene la junta que está realmente ocupada por ésta. Mide la continuidad de la junta dentro de su plano. Suele ser del orden de varios metros, por lo que su medición puede resultar complicada. En muchas ocasiones la junta es persistente en toda la zona que aflora, pero no es posible conocer lo que sucede, más allá, en el interior del macizo rocoso. RUGOSIDAD.- La rugosidad mide la facilidad que presenta una junta al deslizamiento a favor de su plano. Numéricamente ésta se representa por la cohesión y el ángulo de rozamiento, que se obtienen mediante ensayos de laboratorio. En los reconocimientos de campo, no obstante, se puede establecer una clasificación cualitativa. La clasificación se establece en nueve grupos con dos criterios: la rugosidad a pequeña escala (centímetros) y a mediana escala (metros). A pequeña escala la junta puede ser: rugosa, suave o lisa, y a media escala puede ser: escalonada, ondulada o plana. En la figura 3.4 se muestra la clasificación. Barton ha elaborado una expresión que permite calcular el ángulo de rozamiento de la junta a partir de su rugosidad:

estereográjca de juntas

JCS

9, = JRC . lag,, -+% 0,

di'icontinuidades I

Sr = sm * Sen a

RUGOSA I

-

SUAVE

II

/ '

A

LlSA

111

/

ESCALONADA

RUGOSA IV SUAVE

v

/

LlSA VI ONDULADA

RUGOSA

, --.

VI1

\

/

SUAVE Vlll LlSA

IX

PLANA

donde, $,: Ángulo de rozamiento de pico JRC: Joint Roughness Coefficient, que se obtiene de la rugosidad observada en la figura 3.5. JCS: Joint Wall Compression Strenght, que es la resistencia a compresión simple de las paredes de roca junto a la discontinuidad. o":Tensión normal efectiva (sin contar la presión de agua) que actúa perpendicularmente al plano de la junta. gr: Ángulo de rozamiento residual, se puede tomar como 30". L 2 1 ; : 1 ~ ~ 1- Indica la descomposición T E sufrida por la parte de roca que está en contacto con la junta. Se utiliza una escala de seis valores con los siguientes significados: \ -

1 .- Roca sana, no alterada. 2.- Ligeramente alterada. 3.- Moderadamente alterada. 4.- Altamente alterada.

5.- Completamente alterada. 6.- Suelo residual. 3 r 7 i-.;A ~ - La apertura es la distancia entre las paredes de roca, o bien, la anchura de la junta medida perpendicularmente a su plano. Oscila entre cero (completamente cerrada) y varios centímetros. ,-\

PERFILES TIPICOS DE RUGOSIDAD

l

J RC 0-2

s-

Se debe indicar la descripcrón litológica o mineralógica del material que rellena la junta, si existe. Los rellenos más habituales son:

;:i~:,\

Ningún relleno. o Mineralizaciones: calcita, cuarzo, pirita, etc. Arcilla. Limo. Arena o grava. e Roca descompuesta, con diversos grados de alteración.

PeijGles de rugosidadpara el cálculo de JRC

o

5

1o

0 cm. ESCALA

'F:SEi'\rC1L\ ?E c,.- Se indica de forma cualitativa el estado de la junta en relación con el agua que aflora por la misma: seca, húmeda, goteos, flujo continuo de agua, etc. También se puede indicar si el relleno ha sido lavado por la fluencia de agua. Si el flujo es alto puede estimarse el caudal en litros por minuto y por metro de junta.

m

Algunos métodos geofísicos tienen una serie de ventajas que hacen que su uso, en los estudios geológico-geotécnicos para túneles, se hayan generalizado. En primer lugar, se trata de métodos relativamente económicos, por lo que pueden utilizarse con cierta amplitud. Por otra parte, tanto la obtención de datos en campo como la interpretación de los resultados, se puede llevar a cabo en poco tiempo; y, por último, son métodos no destructivos, por lo que no deterioran la zona donde son utilizados. Tienen los inconvenientes de una precisión menor que los sondeos, y que, para su interpretación, son necesarios conocimientos específicos y una experiencia adecuada. Existen actualmente disponibles un número importante de métodos geofísicos: eléctricos, térmicos, radioactivos, gravimétricos, magnéticos, sísmicos, etc. Desde superficie se usa principalmente la sísmica de refracción y desde el interior de los sondeos, y a lo largo de los mismos, se pueden realizar diversas testificaciones geofísicas, diagrafías o logs, de las distintas propiedades físicas del macizo rocoso como: densidad, resistencia elécrica, velocidad sónica ... El resto de los métodos superficiales tienen interés únicamente para problemas concretos y para ciertas técnicas de exploración de yacimientos minerales, petrolíferos y aguas subterráneas, por lo que no son objeto de estudio en estas páginas.

sís!ii,!?rc~DE R E F T - ' \ ? C C I ~ ~ NLa sísmica de refracción se basa en el estudio de la propagación de las ondas sísmicas en el terreno. La velocidad de propagación de estas ondas es función del tipo de material, de su estructura, composición, densidad, contenido de agua, etc., por lo que la sísmica proporciona bastante información acerca de las características del terreno. Cuando una onda pasa de un material a otro distinto, se produce el fenómeno denominado refracción, que se manifiesta como consecuencia de las diferentes velocidades de propagación de la onda en cada material. La refracción consiste en la desviación del tren de ondas un cierto ángulo, función de la relación entre ambas velocidades. Las ondas sísmicas son la forma en que se transmite la energía de tipo elástico o tensodeformacional a través del terreno. Existen dos tipos principales de ondas, dependiendo de la relación entre la dirección de vibración de las partículas y la dirección de propagación de la onda (véase figura 3.6): C N D A S L:~~\!S;TUD!R\IALES.primarias o P. Son

aquéllas en las que las partículas vibran en la misma dirección de la propagación de la onda. Son ondas de compresión, su velocidad es mayor que los demás tipos de ondas y pueden transmitirse por los líquidos. ONDAS IRANSiIEII5ALES.- secundarias o S. Las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Son ondas de cortante, su velocidad es menor y no se transmiten en medio líquido.

Tipos de ondas

Existen también ondas superficiales, que se forman a lo largo de los contactos, por ejemplo en la superficie del terreno (ondas L).

obtención de ztn peirfZl sísmico

W1751 , 144

Ripa bilidad de un terreno en función de la velocidad sísmica

La relación aproximada entre la velocidad de las ondas P y S es la siguiente, válida para Coeficiente de Poisson u = 0.25: Vp = 1.732 Vs El equipo necesario para efectuar una investigación sísmica incluye la fuente de energía, los detectores y el equipo de grabación de los datos. La fuente de energía es el mecanismo que produce la onda, y puede ser un martillo, unas pesas que se dejan caer desde una cierta altura o incluso explosivos. La onda se detecta mediante los aparatos denominados geófonos, que transforman el movimiento en -una señal eléctrica. La señal se recoge y almacena en un sismógrafo. Los geófonos se sitúan a lo largo de una línea recta llamada perfil sísmico. Los perfiles suelen ser de unos 100 metros de longitud, colocándose los geófonos a intervalos regulares cada 10 metros aproximadamente (ver figura 3.7). La longitud del perfil debe ser de unas tres veces la máxima Geófonos Maza profundidad que se va a investigar 1 con objeto de poder recibir las ondas refractadas. Con los perfiles normales de 100 metros se explora el terreno hasta una profundidad de unos 30 metros. A partir de los registros sismográficos obtenidos, se pueden determinar las velocidades de propagación Vp y Vs de las distintas capas del terreno así como las profundidades de los contactos entre distintos materiales. Para su determinación existen varios métodos (Método de los Frentes de Onda, Método Más-Menos,.. .) que se utilizan con ayuda informática. En la figura 3.8 se muestra un perfil típico obtenido con sísmica de refracción. , , , , , , , , , I17SW A partir de la velocidad Vp puede 168 192 DISTANCIA (M) estimarse la ripabilidad de un VELOCIDAD SlSMlCA EN r n l s g terreno (figura 3.9), asi como su grado de alteración y fracturación (figura 3.10) mediante la comparación con los valores considerados típicos para cada t i p o de roca. También se pueden obtener el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson dinámicos de la roca mediante las expresiones:

,

m RIPABLE CON UN TRACTOR

L__

ivlARGlNAL O RIPABLE POR DOS TRACTORES EN TANDEM

0 RIPABLE SOLAMENTE TRAS ROTURA POR EXPLOSIVOS

siendo y la densidad de la roca.

I

MATERIAL

I

Velocidad

(m/ S)

d

SUELOS Suelo suaerficial Loess Aluvial suelto Coluvial suelto Aluvial firme Coluvial firme Arcillas Morrenas alaciales (Comoactas) Residual

1 1 1

ROCAS SEDIMENTARIAS

1

Areniscas Lutitas Blanda Cristalina Anhidrita. Yeso. Sales

ROCAS METAMORFICAS Pizarras Esauistos Gneis Marmol Cuarcitas

I

1 1

ROCAS IGNEAS

Velocidades tQicas 1 de propagación según materiales

Granito Granodiorita Gabro Diabasa Basalto NOTAS: (1) Las velocidades en suelos son para material seco

( 2 ) Las velocidades en roca decrecen con la alteración y la fracturacion de esta

En el proyecto de túneles de carretera, la aplicación más habitual de la sísmica de refracción es el estudio de las boquillas, ya que determina las profundidades de la roca sana y alterada y permite establecer el punto más conveniente para el emboquille del túnel. Para el estudio de las características de la roca a profundidades grandes, pueden emplearse alguno de los métodos descritos a continuación, que necesitan la perforación previa de uno o varios sondeos: 3P-iiOLL.- LOSgeófonos se colocan en la superficie y la energía, habitualmente mediante explosivos, se produce en el interior del sondeo a profundidades variables.

D U ~ & N - ~ D L EES . - el sistema contrario, la energía se suministra en la superficie y el geófono se sitúa a una cierta profundidad en el taladro por medio de una sonda. C % G ~ S - H O L E .Se - utiliza cuando se tienen varios sondeos a lo largo de la traza de un túnel. En uno de ellos se produce la onda y en los otros se colocan geófonos a profundidades similares. Esto se repite a varias profundidades para captar las velocidades sísmicas en cada estrato del macizo.

geofísica de un sondeo, permite medir las propiedades físicas del terreno atravesado por dicho sondeo. Para ello se introduce una sonda o torpedo en el taladro, que lleva en su interior los aparatos geofísicos correspondientes. En el exterior se dispone una polea calibrada para poder conocer la profundidad exacta a que está la sonda y un sistema electrónico, normalmente un ordenador personal portátil, que recoge y almacena la información que le envía la sonda.

Como resultado final se representa la magnitud medida en función de la profundidad a lo largo del sondeo, y se correlaciona con la testificación geológica que se ha efectuado del mismo (figura 3.1 1).

LOG " 9 PCB'S

ELEVO

Ejemplos de diagdf;as

20

,O

(PPNI 75

ioc

A continuación se describe separadamente cada una de las diagrafías que se emplean más habitualmente. .-.r -S'S--: 3ci,

rix-3

Se mide la resistencia eléctrica entre un electrodo colocado en superficie y otro situado en la sonda, para lo cual el sondeo se debe rellenar con un fluido conductor. Otra posibilidad es transmitir una corriente eléctrica entre la superficie y la sonda, y medir la resistencia entre otros dos electrodos situados también en la sonda Este log permite identificar distintas Iitologías y fijar contactos entre diversos materiales. También puede localizar zonas porosas y permeables, que conducen mejor la corriente eléctrica. CL -

-.---U z 3 iri,o:

rz3c a - , ~ zs - El Potencial Espontáneo o SP mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo colocado en el interior de la sonda y otro en la superficie. Permite distinguir distintas Iitologías, localizar contactos y detectar zonas permeables. S

z-_::ie

- --

- En la sonda se dispone un sistema que produce una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia. Ésta produce a su alrededor un campo magnético variable, que se transmite por la roca, y genera en ésta corrientes secundarias también variables. Éstas a su vez crean un campo magnético secundario que es registrado por un sensor situado también dentro de la sonda. Se detectan con este método las zonas permeables y fracturadas, así como los contactos entre distintas Iitologías.

i*;IL:CcaC \'

=?

A=,

a = ,

S~~

c

- Con este método se mide la radiactividad natural del macizo con un sistema sensible a los rayos gamma colocado en la sonda. Su alcance es de unos pocos centímetros. Permite distinguir la Iitología en formaciones sedimentarias, ya que las arcillas y pizarras tienen un contenido alto de minerales radiactivos, mientras que las calizas y areniscas lo tienen normalmente bajo. Pueden existir perturbaciones debidas a intrusiones volcánicas o sedimentos graníticos. C C , _, ,7 :

-

i

'./i

, ,),,

---

q c \:;--?S*. - En la sonda se coloca una fuente radiactiva de neutrones rápidos. Los neutrones chocan con los átomos de hidrógeno de la roca y son decelerados, siendo absorbidos por otros núcleos atómicos del terreno. En esta absorción se desprende un rayo gamma, que es detectado por un sensor situado en la sonda. Dado que la mayor parte de los átomos de hidrógeno del terreno corresponden a la molécula de agua (HzO), este log permite distinguir las zonas con distintos contenidos de agua.

~ ~ 2 , ~ s ,# A - El log gamma-gamma proporciona una medida de la densidad de la roca por el siguiente sistema: una fuente radiactiva de rayos gamma colocada en la sonda emite esta radiación, que es parcialmente reflejada por el terreno proporcionalmente a la densidad de éste, y captada por un sensor que está en la sonda. s ~ s , ~ / t l l ; ~ - s ~ p t

~ 3 53,\iicc.5 En la sonda se sitúan un emisor y un receptor de ondas acústicas o sonoras, y se mide el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción y, por tanto, la velocidad sónica o de propagación de las ondas de compresión sonoras por el material. Es necesario que el sondeo se llene de agua o lodo de perforación. Permite distinguir distintas litologías y porosidades, y con otros datos tales como la densidad, se pueden calcular los parámetros elásticos dinámicos de la roca.

J~;-t.i ET?S 2:- -/-IAJ'C.En este log simplemente se mide el diámetro del taladro a lo largo de su longitud, que se puede correlacionar con la resistencia de la roca o su tendencia a desmoronarse.

LO^ TERMICO.- El sondeo debe estar lleno de un fluido, generalmente agua, y se deja en reposo para que la temperatura del agua se equilibre con la del terreno circundante. Entonces se mide la temperatura a lo largo de la longitud del taladro por medio de un termómetro alojado en la sonda. El registro de temperaturas teóricamente debe ser creciente con la profundidad, a un gradiente de un grado cada 40 metros, aproximadamente. Las temperaturas anómalas indican normalmente entrada o salida del fluido del taladro, señalando zonas con una cierta circulación de agua.

7 1 Los sondeos mecánicos son el método más utilizado para la ~ ' P I G R ~ AiDADE5 ~

investigación geológica de los túneles, pues proporciona una información directa del material rocoso que se encuentra en profundidad. La campaña de sondeos debe ser cuidadosamente preparada con objeto de optimizar al máximo el número y la longitud de los mismos. Antes de planificar la campaña de sondeos se debe realizar el estudio geológico de superficie que permita tener una idea aproximada de la roca que se va a encontrar, y dónde pueden localizarse los puntos potencialmente más complicados. Los objetivos de una campaña de sondeos previa al proyecto de un túnel deben ser los siguientes: - Estudiar las boquillas: litología, profundidad de la roca sana, presencia de

agua, etc. Detectar las distintas litologías presentes en el túnel, y de cada una, obtener muestras para ser analizadas en el laboratorio. Analizar las zonas donde potencialmente puedan existir fallas o roca de peores características. Los sondeos pueden ser verticales, horizontales o inclinados. Lo normal es que sean verticales, empleándose los otros para fines especiales. El método usual de perforación es a rotación con corona de diamantes o widia, que permite obtener un testigo continuo del terreno atravesado. En las zonas donde no sea necesario obtener 1 - BOCA DE DIAMANTE 4 - ANILLO DE CALIBRADO 7 - TUBO EXTERIOR testigo en toda la longitud 2 - ANILLO SEPARADOR 5 - TUBO DE EXTENSION 8 - COJINETE DE BOLAS del sondeo, puede emplearse la perforación a rotación con tricono o a percusión. Para obtener testigo de roca se emplea generalmente una corona de doble tubo como la de la figura 3.12, siendo los diámetros de perforación y de testigo más frecuentemente usados los que figuran en la tabla 3.2.

QQQ

ESllilcAClO~ E I lUna vez obtenido el testigo de un sondeo, es necesario proceder a la testificación del mismo, es decir, extraer de él una serie de datos geofísicos y I

Columna de un sondeo

representarlos en función de la profundidad. Es conveniente acompañar la testificación con unas fotografías en color del testigo colocado en las cajas portatestigo. La figura 3.13 es una columna típica de u n sondeo, tal y como se suelen representar habitualmente los datos, y la figura 3.14 es la f o t o correspondiente del testigo

1

ima

-

l

FECHA REVÉS MANIO. BATER Long. DTA Tipo Diam. Recup. m) Diam. Prof. N.F. (%)

3

2 LITOLO. ,

I

=

Grado de Alteración

R. Q. D.

Fracturas 130 cm.

255075

2 4 8 1 6 111 IIIIVV

ENSAYO

g

-1

a

W

DESCRIPCION 1

1

1

1

0

1

l

l

l

l

ierie de transición 2a I= 240" 125"-35" 11= 80"-90'

99,s TUBO PVC

PROYECCION ESTEREOGRAFICA POLOS DE DlSCONTlNUlDADES N

,brasivid media 1.A.d.i lurabilid alta 99.459

70 N.F. nin

-

Los datos deben ser tomados por un geólogo con experiencia y de forma minuciosa. A continuación se resumen las características del terreno que se obtienen más frecuentemente: I N F O R M A C I ~ NGENERAL.-Se

indicará el número de sondeo, el lugar y la fecha de realización y las coordenadas del emplazamiento. También la inclinación del sondeo si no es vertical, y el tipo de corona y el diámetro de perforación a lo largo del mismo.

L I T O L O G ~ A .incluirá - S ~ una descripción litológica de los terrenos atravesados, separando los diversos materiales e indicando la profundidad de cada contacto. También se suele incluir una columna con la descripción gráfica, mediante diferentes tramas, de las distintas litologías.

?ZCU?ERA.C~&~JDE TESTIGG Y R Q 2 . - La recuperación de testigo es la relación en tanto por ciento entre la longitud del testigo y la longitud del taladro. Cuando el sondeo está bien ejecutado se aproxima normalmente al 100%, y se representa por tramos homogéneos. El RQD (Rock Quality Designation) se define como la relación en tanto por ciento entre la suma de longitudes de los trozos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del taladro. Se representa también por tramos homogéneos habitualmente de forma gráfica (véase figura 3.13).

,, b,,&~r$i\!.De cada junta se obtienen sus características representativas, ya analizadas en el apartado 3.2.3. En un sondeo es posible medir el buzamiento, tipo de junta, espaciamiento, rugosidad, alteración, apertura y relleno. Habitualmente no es posible conocer la dirección de buzamiento, a no ser que el sondeo esté orientado: en tal caso al testigo se le hace una marca antes de sacarlo indicando la dirección norte. Otro parámetro que se obtiene, y que da una idea del grado de fracturación del macizo rocoso, es el número de juntas cada 30 cm de testigo. Se representa en escala logarítmica. -*

.rT3 j D

.~,tis~r;,r,iCr\i.Se representa el grado de alteración de la roca a lo largo del sondeo según una escala de I a VI (véase el capítulo 3.2.3). El I representa la roca sana y el VI corresponde a suelo residual. N ? h j E i FRSAT!CO.- Se debe medir el nivel freático en sucesivos días después de la perforación del sondeo, hasta que se estabilice. Esto se puede hacer mediante un piezómetro. El tipo de piezómetro más común es una sonda que se introduce por el taladro y detecta eléctricamente la presencia de agua. i i t l i s ; e s ~ ~?~ ENSAYOS.s Deben

indicarse las profundidades a las que se han extraído muestras del testigo, su tipo, y los resultados de los ensayos de laboratorio efectuados sobre ellas.

Ensayos in-sita

Ensayo Lugeon

1

permeabilidad in-situ del macizo rocoso, aunque más bien de forma cualitativa que cuantitativa. El mecanismo del ensayo se muestra en la figura 3.1 5: en el sondeo ya perforado se selecciona la zona a ensayar, que se aisla del resto mediante dos obturadores. Mediante una bomba se inyecta agua en la zona de ensayo a una presión dada, midiéndose el caudal que es necesario aportar para mantener la presión fija. Dicho caudal es la cantidad de agua que se filtra a la roca, normalQ = Caudal (I/min) Sondeo P = Presión (Icp/cm2) mente a través de las ya que la matriz juntas, Obturador rocosa es mucho más impermeable que estas. El ensayo se repite para Filtraciones presiones crecientes entre O y 1 0 Kplcmz y luego para presiones decrecientes nuevamente hasta O Kplcmz. Se representa 4 b en un gráfico presión1 Entre 46 y 76 cm. caudal (figura 3.16), indicando con flechas el camino seguido en el ensayo.

ensayo Lugeon I

El aspecto de la curva indica el fenómeno que se produce en el macizo como consecuencia de la circulación de agua: flujo laminar, atoramiento de las juntas, destaponamiento, etc. En la figura 3.17 se muestran gráficas típicas de distintos ensayos Lugeon junto con su interpretaciód5).

El estado tensional inicial del macizo rocoso es uno de los factores determinantes de la estabilidad de un túnel, pues las fuerzas que van a actuar sobre el sostenimiento son las debidas precisamente a la relajación de dichas tensiones naturales. En terrenos sueltos suele admitirse que el estado tensional es litostático, es decir, debido al peso del terreno. En tal caso las tensiones en un punto dado son las siguientes: MEDIDA DE TENSIOl\lES NATURALES DE LA ROCA

Tensión vertical:

Tensión horizontal:

Tensiónes tangenciales: ,Z ,

=o

siendo, y: Peso específico del terreno H: Profundidad del punto u: Coeficiente de Poisson de la roca (en torno a 0,3) No obstante, en los macizos rocosos las tensiones suelen ser bastante distintas de las litostáticas. Ello se debe a que la roca mantiene ciertas tensiones residuales debido a su historia geológica: fallas, pliegues, erosiones, sedimentaciones, etc. que incrementan o relajan tensiones y por lo tanto modifican el estado tensional de la roca. Se han desarrollado ciertos métodos que permiten evaluar, de una forma relativamente aproximada, las tensiones de la roca a gran profundidad, aprovechando los sondeos perforados en el macizo. Los métodos más utilizados son los que se describen a continuación: O V E K C O R I N G . - El proceso del ensayo Overcoring se muestra en la figura 3.18. En el

Ens con célula triaxal

I

fondo de un sondeo se efectúa un taladro coaxial de menor diámetro, en cuyo interior se introduce y se fija a la roca mediante una resina una célula triaxial, que es capaz de medir deformaciones en la dirección radial y longitudinal. A continuación se perfora un anillo en torno a la célula, la roca se expande, y se miden estas deformaciones. Las tensiones se calculan aplicando la teoría elástica conocidos el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson de la roca. Estos parámetros pueden obtenerse en laboratorio mediante el ensayo de Compresión Simple. Otra posibilidad es extraer el testigo con la célula y aplicar una presión radial uniforme que equilibre la deformación producida. Dicha presión debe coincidir con la tensión del macizo rocoso perpendicularmente al eje del sondeo.

Existe otro método más antiguo pero más simple, llamado " DoorStopperU, cuyo mecanismo aparece en la figura 3.19. En el fondo de un sondeo se fija con resina un medidor de deformaciones radiales. Se efectúa una perforación de un anillo como en el caso anterior y se deja a la roca deformarse. Esta deformación se mide y mediante las ecuaciones de la Elasticidad puede obtenerse la tensión del macizo rocoso perpendicular al eje del taladro, es decir, la o, supuesto que el sondeo es vertical. FLAT-JACK (GATO P L A N O ) . - El procedimiento del ensayo se Colocación del muestra en la figura 3.20. Con dispositivo m una sierra radial se perfora una / S ranura en una pared de roca, midiéndose la deformación producida entre unos puntos de medida previamente fijados al terreno. A continuación se introduce un gato plano en la ranura y se da presión hasta equilibrar las deformaciones. La tensión de la roca en la dirección perpendicular a la ranura coincidirá con la presión del gato. Este ensayo es habitual efectuarlo en galerías de reconocimiento, en cuyo caso puede realizarse con orientaciones diversas en el frente y en los hastiales. Existe también la posibilidad de llevarlo a cabo en un sondeo mediante una sonda especialmente concebida para este uso.

-@g//& U

F R A C I U R A C I ~HN~ L ~ R A U L ~ C A . Es una determinación indirecta y menos precisa que las anteriores, pero a cambio puede realizarse a grandes profundidades de forma fácil. Un tramo de sondeo se aisla con dos obturadores y se introduce entre ambos agua a presión hasta romper la roca. Después se sigue midiendo la presión del agua conforme la fractura se va ampliando. OTROS ENSAYOS IN-SITU

Ensayo Hat-/dck

ENSAYO DE PLACA DE CARGA.Existen otros ensayos in-situ que se emplean en ocasiones y que ofrecen una información

valiosa, pero que no se utilizan, salvo en ocasiones especiales, por su coste o complejidad. Se efectúa en el interior de una galería de reconocimiento excavada en el macizo rocoso. Mediante unos gatos se ejerce una presión sobre las paredes de la galería (figura 3.21), midiéndose las deformaciones con unos extensómetros. Del resultado puede deducirse el módulo de elasticidad del terreno, que será tanto más representativo cuanto mayores sean las dimensiones de la placa. El inconveniente de este ensayo es la necesidad de realizar la excavación de una galería y, por tanto, el elevado coste de su realización. reconocimiento se talla una probeta aislando el p l a n o de discontinuidad que se quiere ensayar (figura 3.22). Se aplica una carga normal y otra transversal hasta la rotura. Repitiendo el ensayo con distintas tensiones normales se deduce la cohesión y el ángulo de rozamiento de la junta. La complejidad y coste de este ensayo hace que no se utilice habitualmente para el caso de los

Columna de transmisión de esfuerzos

de caqp")

-. -~i~,a,yc 5;";ESiS , B ~ T ~ C GTambién .llamado dilatómetro. Consiste en un aparato que se introduce en un sondeo hasta una profundidad dada (figura 3.23). Mediante una -*

a

m/ ed,

i o h r n n a de transrnmon apoyos

MANOMETROS

Plano de corte NIVEL -

-

PRESIOMETRO

'

Bentonita

bomba se introduce agua a presión, midiéndose la deformación radial que sufre el taladro. La relación entre ambas es el módulo presiométrico, del cual puede deducirse el módulo de elasticidad de la roca. Se ha empleado en ocasiones, pero tiene el inconveniente de una elevada dispersión y de que ofrece valores superiores a los reales, ya que al comprimirse la roca en todas las direcciones ésta tiene un mejor comportamiento resistente que en el caso, por ejemplo, del ensayo a compresión simple.

rr'swms DE Í D E I \ ~ T ~ ; ~ C A ~ I Se U \ ! describen a continuación los ensayos más comúnmente utilizados para la identificación y descripción de las muestras de roca, extraídas por lo general de los sondeos. Lii. f,/'iipiA DE&$,l>,A,.-

Es el procedimiento que aporta más datos en relación con la composición mineralógica y petrográfica de la roca. De una muestra se talla una lámina con un espesor de fracciones de milímetro y ésta se examina con un microscopio petrográfico con luz normal y polarizada, obteniendo las correspondientes microfotografías. Las características que se pueden obtener son: la determinación de los minerales presentes en la roca, la determinación de los tamaños de grano, de las microfracturaciones y de posibles alteraciones, y el análisis de la matriz que envuelve los granos, etc.

Todos estos ensayos se llevan a cabo de forma similar, operando con el peso aparente, seco o saturado de la muestra y con su volumen. La muestra se satura introduciéndola en agua contenida en un recipiente en el que se ha practicado un vacío por un período de al menos una hora. Para secar la muestra se introduce en una estufa a una temperatura de 105°C hasta que su peso se estabiliza. Los pesos se miden con la balanza y los volúmenes introduciendo la muestra en agua o mediante un calibre si se talla previamente con forma regular. Con todo ello se obtienen los resultados operando tal como se indica en la tabla 3.3. Gcb!S!i3.A->, tiLibf.EDAC \: l@POSIL;r?D.-

GRUPO

PARÁMETRO

OBTENCIÓN

tienen por objeto obtener las características resistentes y deformacionales de las rocas, que generalmente luego se emplean en los cálculos de estabilidad. En laboratorio obtendremos siempre unos parámetros válidos para la roca sana (la muestra ensayada es un especimen de roca sana), pero que deberán ser convenientemente reducidos para ser aplicados al macizo rocoso, que contiene, además de roca sana, varias familias de fracturas con rellenos más deformables y menos resistentes.

V E L O C ~ D A Ds & \ ~ I c A . - Este ensayo consiste en medir la velocidad de propagación de las ondas sísmicas a través de una muestra de roca. Para ello se utiliza un transmisor y uno o varios receptores adheridos a la misma. Con un osciloscopio puede controlarse y medirse la propagación de la onda, obteniéndose las velocidades de las ondas P y S: Vp y Vs.

De ellas pueden deducirse el módulo de elasticidad dinámico y el coeficiente de Poisson de la roca sana con las mismas expresiones que aparecen en el apartado 3.3.2. RESISTEi\jCib,,A, C ~ ! W P \ E S I ~ ISiivIIE.\~ Sobre una muestra cilíndrica, de altura como mínimo igual a 2 veces el diámetro, se aplica una fuerza axial P (véase figura 3.24), hasta la rotura. Midiendo las deformaciones longitudinal y transversal se puede dibujar la curva tensión-deformación, obteniendo el módulo de elasticidad E y el Coeficiente de Poisson v, y por supuesto la resistencia a compresión simple Rc.

Ensayo de compresión simple

RESISTENCiA A !R~.C.:!~N.- Puede ensayarse una muestra a tracción directamente aunque, debido a las dificultades para poder aplicar la carga, suele emplearse el método indirecto conocido como Ensayo Brasileño (figura 3.25). Consiste en romper una probeta cilíndrica similar a las empleadas para el ensayo de compresión simple, pero cargándola transversalmente. La resistencia a tracción se calcula mediante la fórmula que aparece en la figura.

i-!N5AY3 TR!AXIAL.- El ensayo triaxial consiste en cargar una muestra cilíndrica de roca con una cierta presión lateral o3 aumentando la presión axial o longitudinal ol hasta la rotura. Ésto se repite con otras muestras similares para distintas 03, un mínimo de tres veces, dibujándose el círculo de Mohr en rotura en un diagrama 0-7 (ver la figura 3.26). La curva tangente a todos los círculos de rotura es la que define la resistencia de la roca. En suelos esta curva se aproxima a la Iínea recta, definiéndose la cohesión como la ordenada de la Iínea de rotura para o igual a cero, y el ángulo de rozamiento interno como la pendiente de la recta. En rocas la curva que se suele obtener no es una recta sino una curva del estilo de la que aparece en la figura 3.26, pero también se emplean los términos de cohesión y de ángulo de rozamiento.

CORTE DIRECTG DE UIVA 1 U P T A . - En el ensayo de corte directo se trata de medir los parámetros de resistencia al corte de una junta de la roca. Para ello se tallan varias probetas de forma que se aisle una porción de la junta que se quiere ensayar una junta (véase figura 3.27). Se aplica una carga normal a la junta (o) y se va aumentando la carga transversal (7) hasta la rotura. En un gráfico se 7 l l I representa el punto obtenido; y este proceso se Ensayo no 3 repite como mínimo en tres ocasiones para Ensayo no 1 distintos valores de o. Los puntos del gráfico definen la recta de rotura de la junta, en la que puede obtenerse la cohesión y el ángulo de rozamiento de la discontinuidad, q = Angulo de rozamiento C = Cohesión del mismo modo que en el apartado anterior. E N S A Y O DE

Ensayo

1

quiere estimar la resistencia que va a presentar la roca frente a la excavación mecánica o frente a la perforación. Cuando la roca es muy abrasiva no es rentable la excavación mecánica y ha de emplearse el sistema de perforación y voladura. ES un ensayo de abrasión que se realiza introduciendo unas muestras de roca y un elemento abrasivo (bolas de acero) en un tambor rotatorio durante 500 revoluciones. Posteriormente se pesa la fracción de la muestra cuyo tamaño se ha mantenido superior a 1.7 milímetros y se expresa en tanto por ciento con respecto al peso inicial. ENSAYO DE LOS ANGELES.-

Una muestra de roca se raya con una broca de acero endurecido que termina en una punta cónica. La broca se carga con una carga de 7 l ~ ~ )

RMR- 10

(i,

= 10

40

(para RMRO.- (figura 7.19 y tabla 7.10) Es el bulón más utilizado. Se trata simplemente de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo, aunque éste último es el más habitual. La fijación puede ser mediante cartuchos de resina epoxi, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando lechada de cemento en el taladro. Este último sistema es el que ofrece mejores resultados, u BULON INYECTADO pero es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean generalmente cartuchos, que Tuer 1 ofrecen un comportamiento Resina o mortero Barra de de cemento suficientemente satisfactorio. Placa de apoyo simple Si el bulón es activo es

A - ACTIVOS

., .

BULBO A N C W E FUSTE

TUERCA

E W B - PASIVOS

B!JLÓN3 E AN[@,jE

BULONES DE ANCWE MECANICO - ANCLAJE DE EXPANSION

$~~cÁ$jj~3.-

CALIDAD DE ACERO

necesario inyectar sólo el bulbo de anclaje, lo que se consigue por medio de un o b t u r a d o r . S i se emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos en el fondo del taladro. El tesado se produce cuando ya ha fraguado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocación. Algunas veces se inyecta t a m b i é n el fuste después de tensar el bulón, con lo que se tiene un comportamiento híbrido activopasivo.

1080 MPa

(figura 7.20 y tabla 7.1 1) Dywidag es una marca comercial de anclajes y bulones. En realidad es el mismo bulón de redondo, pero hecho con un acero especial más resistente en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es por este motivo, más caro y menos usado y su uso queda restringido a casos especiales. B U L S F ! C;V'i:iJiDA,G.-

BULONES DE INYECCION - ACERO DYWIDAG

redo?zdoinyectado DYWIDAG

Tuerca con apoyo serniesferico Placa de apoyo

Barra de anclaje

Inyección de mortero de cemento

B U L O N DE F I B R A DL v i u ~ 1 0 . (tabla 7.12) Es idéntico al anterior, salvo que se usa una

barra de fibra de vidrio en lugar de una barra de acero. Este tipo de bulón tiene interés porque resiste a tracción incluso más que el acero, pero es rompible mecánicamente, p o r lo que se usa en zonas q u e se han de excavar en fases posteriores de

RESISTENCIA A TRACCIÓN

1.000MPL~

RESISTENCIA A CORTE

315.7iZ1Pn

MODULO DE ELASTICIDAD

44.000-50.000 MPn

8 ~ ~ j i D\ C! C A B L E C ; . -(figura 7.21 y tabla 7.13). El principio de funcionamiento es el mismo de los bulones de redondo, salvo que se utiliza un cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser inyectado necesariamente. Es de utilidad en túneles de gálibo escaso en los que es necesario instalar bulones muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad.

BULÓNDE CABLES

E

Bulón de cdle inyectc~do

\

Bulón de cable

l

inyección de mortero de cemento

7.22 y tabla 7.14) Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND. Está constituido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducirlo en un taladro de diámetro inferior al suyo propio, ejerce una fuerza radial sobre la roca que hace que el bulón quede fijado a la misma por rozamiento. Es muy rápido de colocar, pero tiene el inconveniente de que es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. En terrenos de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo. BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SPLlT SET

ALZADO

\ \ Tubo de acero con hendidura longitudinal

/

Split - Set

Placa de apoyo

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SWELLEX

Bulón tipo Swellex

U C L C NSirirlLE::.- (figura 7.23

y tabla 7.1 5) Swellex es una marca comercial de ATLASCOPCO. Es un bulón hueco, que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presión en su interior. Al expandirse rellena t o d o el taladro y presiona contra las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria para producir su expansión. Hay en el mercado varios tipos de bulones Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para terrenos expansivos o fluyentes.

1 -c

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

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

Bulonadora (Co~tesia Atlas Copco)

E J E C U C I G N DE 1-05TALADROS.- LOStaladros se hacen normalmente con el mismo jumbo que se utiliza para la perforación de los barrenos para la voladura en el frente. En túneles que no se excaven mediante explosivos, puede resultar más ventajoso el uso de una bulonadora: que es una máquina muy similar a un jumbo, pero con un solo brazo y de menor tamaño. Por lo demás el funcionamiento es el mismo, y ya se trató suficientemente en el capítulo 6 de este manual (figura 7.24). Para conseguir un buen anclaje, es necesario que el diámetro del taladro guarde relación con el diámetro de la barra de anclaje y de los cartuchos, de modo que la diferencia de diámetros no supere los 10 mm.

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

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

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen una misión resistente de por sí y fundamentalmente en unión al hormigón proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar SU colocación Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas barras de acero de unión, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de 58 todas las cerchas trabaje solidariamente. En construcción de túneles se usan normalmente tres tipos de cerchas: C E ~ C H A Si H

-

v - El perfil TH o perfil omega es la sección empleada para este tipo

de cerchas, muy usadas en minería y construcción de túneles. Las características mecánicas de los principales perfiles TH son las que se muestran en la tabla 7 16 y figura 7 25 Se emplean por la facilidad que tienen para solaparse por medio de

Grapas de uniónpara cedas

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

s

especiales 1

1-

~ ~ \ ~ T R O D U C ~ Con ~ O ~ el Z . empleo de hormigón proyectado, bulones y, ocasionalmente, cerchas se logra el sostenimiento del túnel prácticamente en todas las calidades de roca. No obstante, cuando se atraviesan zonas donde el terreno es de peor calidad (fallas, presencia abundante de agua, roca muy fracturada, roca alterada, etc.), puede no ser suficiente la utilización de los elementos anteriores, y es necesario recurrir a métodos de sostenimiento complementarios más potentes que son los que se conocen como tratamientos especiales. Los tratamientos especiales se usan de forma puntual, con objeto de atravesar una zona concreta de terreno de mala calidad. Hemos distinguido tres tipos diferenciados según la parte del túnel que es necesario estabilizar: clave, frente o solera. En otro grupo se situarían los tratamientos de consolidación del terreno en sí. A continuación se analizan en profundidad cada uno de ellos. E S T A B I F I Z A C I ~ NDE LA CLAVE Las medidas de estabilización de la clave se utilizan cuando ésta es inestable y cede al efectuar el avance. Las principales medidas se han resumido en la figura 7.29. Su aplicación es la que se describe a continuación:

/ -f L= 3-4 m

noS

50n

B - PARAGUAS DE BULONES (Ligero) O TUBOS (Pesado)

A - ENFILAJE (Forepiling)

3m

a 1 10 mm inyectado

s----L=9m

'

u n -4-3m-\

Cercha

-----A

TUBOS

C - PARAGUAS DE JET-GROUTING

BULONES

Ligero Columna de iet tiwo I

Pesado

Estabilización de la clave ENFILAJE O FOREPILING.- Esta medida consiste en disponer unos bulones en la parte alta del frente inclinados unos 40-45" hacia adelante. Con ello se consiguen coser por delante del frente las cuñas que puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores. Tiene utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada. PARAGUAS.- El paraguas se usa para atravesar una zona de roca muy fracturada o roca muy alterada, que produce desprendimientos en la clave al efectuar el avance. Consiste en la colocación de elementos lineales paralelos al túnel en toda la corona de éste. Puede tratarse de bulones de redondo de diámetro 32 mm (paraguas ligero) o de tubos huecos inyectados de lechada de diámetro 102-150 mm y espesor 3-4 mm (paraguas pesado). El paraguas actúa como una viga, por lo que es necesario apoyarlo en sucesivas cerchas conforme se va avanzando bajo él. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mínimo entre uno y otro de 2 ó 3 metros.

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

En ciertas ocasiones el frente del túnel es inestable, y se producen desprendimientos desde éste hacia el interior del túnel. El tratamiento es muy delicado, ya que debe ser necesariamente provisional y no muy potente, ya que de otro modo impediría un sucesivo avance. Los sistemas más usuales son los mostrados en la figura 7.30, y se describen a continuación: ESTABILIZACI~N DEL FRENTE

A - MACHON

C - SELLADO DEL FRENTE

B - BULONADO DEL FRENTE

D - EXCAVACION A MEDIA SECCION

r FASE la

FASE lb

Estabilizdción

MACHÓN c ~ i m - R A L .Consiste en no excavar el frente vertical en su totalidad, dejando en el centro del mismo un contrafuerte o machón que resista los posibles empujes del terreno del frente. Los hastiales y clave deben quedar en su posición con objeto de poder colocar el sostenimiento. B U L O N A D O D E L F R E N T E . -ES un sistema que proporciona una buena estabilidad del frente, tanto en suelos o rocas alteradas como en rocas fracturadas. Consiste sencillamente en coser el frente con un bulonado largo (L=9 m), preferiblemente utilizando bulones de fibra de vidrio, que son fáciles de excavar posteriormente, con lo que se mejora la estabilidad general del túnel, al impedirse la relajación de la roca por delante del avance. SELLADO D E L FRENTE.-Consiste en realizar un gunitado del frente con un espesor de 3-5 cm. Con ello se consigue que el terreno no se altere ni se decomprima. También se evita que las entradas de agua puedan lavar las juntas o arrastrar roca suelta, para lo cual deberá realizarse un drenaje del agua en el frente. E X C A V A C I ~ NA MEDIA S E C C I ~ N . La - medida más eficaz para estabilizar un frente de excavación es reducir su tamaño, pasando a excavar la sección anterior en dos nuevas fases, dejando un desfase mínimo entre ambas de unos 20 metros. La ejecución del túnel se complica al existir más tajos abiertos, lo que exige disponer de más medios y una mejor organización de los trabajos.

ESTABILIZACIQN DE LA SOLERA Cuando el terreno no es firme y las presiones horizontales sobre el revestimiento son altas, el túnel tiende a cerrarse por la parte inferior, de forma que esta deformación puede llegar a partir el sostenimiento por flexión. En la figura 7.31 se muestran posibles actuaciones frente a este problema: C O N T R A ~ ~ \ ~ E DUn ~ , .método -

A - CONTRABOVEDA

C - PATA DE ELEFANTE

eficaz es excavar la solera del túnel con forma de arco y no plana, con lo que se facilita la transmisión de las tensiones horizontales del terreno. Si además se hormigona esta solera curva (contrabóveda), se logra cerrar un anillo de hormigón que tiende a trabajar a compresión, evitándose de este modo las flexiones.

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

?,ATAD E E L E F A N T E . -La "pata de elefante" es una prolongación recta del sostenimiento tangente al túnel (véase figura 7.31). Se utiliza cuando el terreno de solera es flojo y no puede resistir las cargas verticales que le transmite el hormigón proyectado. Con la pata de elefante se logran dos efectos: por un lado se aumenta la superficie de carga, con lo que, a igualdad de fuerza vertical, la tensión se reduce; por otro, se puede excavar la siguiente fase del túnel sin descalzar el sostenimiento de la fase anterior. I C O N S S L ~ D A C I ~D~E\L? T E R ~ E N O Cuando la roca que se ha de atravesar es de mala calidad, puede recurrirse a tratamientos de consolidación del terreno. Los más potentes son la congelación, inyecciones sistemáticas, etc., pero únicamente son de aplicación en terrenos de escasa cohesión, por lo que se salen del alcance de este Manual. En túneles en roca se emplean los dos métodos indicados en la figura 7.32. iN\!ECCIOI\IES

A - INYECCIONES

L O C A L I Z A D A S . - Se efectúan inyecciones de lechada de cemento o de

B - DRENAJES

mortero cuando se detectan huecos dentro del macizo rocoso. Los huecos son perjudiciales porque favorecen la afluencia de agua, concentran las tensiones del macizo rocoso en ciertas zonas y dificultan la colocación y el trabajo de los bulones. D R E N A J E S . - LOS drenajes

Consoliddción del terreno

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

(1) lnternational Tunnelling Association (ITA): " Shotcrete for Rock Support. Guidelines and Recomendations - A Compilation " , ITA, 1993. (2) AFTES - Working Group no 6 - Shotcrete: " Recomendations on Shotcrete Technology and Practice ", AFTES, 1986. (3) F.G. Bell (Editor): " Engineering in Rock Masses", 1992. (4) Sika, lmpormaq SA, Bekaert, Aliva & Schwing: "Jornadas Técnicas sobre Hormigón Proyectado por Vía Húmeda " , 199 1.

(5) Marc Vandewalle, Bekaert SA: " Dramix. Tunnelling the World", Bekaert SA, 1991. (6) Stillborg B.: " Professional Users Handbook for Rock Bolting " , Trans Tech Publications, 1986. (7) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para la Recepción de Cementos", MOPU, 1988. (8) Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU): "EH-91: Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado", MOPU, 1991. (9) Recomendaciones de la American Concrete lnstitute (ACI), comité 506

- "Guía del Hormigón Proyectado" - " Recomendaciones Prácticas del Hormigón Proyectado" - "Especificaciones de materiales, dosificación y aplicación"

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

En la construcción de túneles se avanza siempre con un cierto grado de indeterminación, debido a la dificultad de conocer con exactitud las características del terreno a atravesar antes de iniciar la excavación del túnel. Debido a la variabilidad del terreno, en los Proyectos siempre se incluyen varios tipos de sostenimiento, debiéndose aplicar uno u otro según las características de la roca observadas en cada punto. La auscultación desempeña un papel fundamental para comprobar en qué medida una tipología de sostenimiento es adecuada a un concreto tipo de roca, así como para evaluar el grado de estabilidad conseguida en la excavación y sostenimiento del túnel. La auscultación permite detectar posibles inestabilidades que pudieran producirse durante el proceso constructivo, e incluso controlar deformaciones diferidas, una vez terminada la ejecución del túnel, durante su etapa de explotación. La instrumentación empleada con más frecuencia en las obras subterráneas es la encaminada a medir los movimientos relativos del terreno hacia el interior de la excavación, que proporciona una información directa y, por tanto, con menor posibilidad de error. Mediante las CONVERGENCIAS se miden los desplazamientos del contorno del y con los INCLINÓMETROS se miden los túnel, mientras que con los EXTENS~METROS movimientos en el interior del macizo rocoso. Además, se emplea también una instrumentación cuyo fin es medir las tensiones en los elementos del sostenimiento: CÉLULAS DE PRESIÓNpara evaluar tensiones del hormigón proyectado, CÉLULAS DE CARGA para medir tensiones en los bulones, incluso EXTENSÓMETROS adheridos a las cerchas para conocer su deformación y, por tanto, su estado tensional. De todas formas, la auscultación del sostenimiento suele ser de tipo indirecto: se miden deformaciones para luego calcular tensiones, con márgenes de error elevados por la heterogeneidad del problema. Por este motivo se debe tender siempre, en primera instancia, a auscultar los movimientos del terreno y dejar las otras medidas como información adicional que puede resultar de interés. Existen otros aparatos de instrumentación que proporcionan otras medidas generalmente para conocer la profundidad del nivel freático, de menor uso: PIEZÓMETROS TERMÓMETROS para medir las temperaturas de la roca, MEDIDOR DE ASIENTOS para medir los asientos superficiales o de edificios, etc. Muchas veces se usa también la topografía convencional para medir movimientos, aunque deben emplearse aparatos de alta precisión (+/- 1 mm). La aplicación más utilizada es la relativa al control de los asientos superficiales sobre un túnel en construcción. Menos empleada es, sin embargo, en la medición de los desplazamientos del contorno de la excavación: convergencias, asientos de clave, etc. El instrumento concreto de medición, su manejo y la forma de adquisición de datos es muy variable de unos modelos a otros. En España existen actualmente varias firmas comerciales dedicadas a distribuir aparatos de auscultación, debiéndose consultar a cada fabricante sobre las características concretas de un determinado aparato. La adquisición o lectura de datos puede ser manual o automática. La lectura manual se hace habitualmente con un reloj comparador, y tiene el problema de una menor

precisión y la posibilidad de que el operario cometa errores de lectura. La lectura automática se hace mediante cuerda vibrante o potenciómetros, según el tipo de aparato, y se lee de forma digital mediante una centralita de lectura. Incluso es posible hoy en día transmitir los datos directamente en tiempo real a un ordenador central. Este método evita los errores de lectura y transcripción de datos, que de otra forma suelen ser bastante frecuentes. En la tabla 8.1 se han resumido las mediciones de auscultación más frecuentes hoy en día dentro del campo de las obras subterráneas. En los apartados posteriores se incide más en profundidad en los principales sistemas de instrumentación.

La medición de convergencias es la instrumentación más rápida, económica y más utilizada para el control de la excavación de un túnel. En la figura 8.1 puede verse una sección típica de medida de convergencias mediante cinta extensométrica. La medición se hace entre unos puntos que se anclan a la roca o al hormigón proyectado en el contorno del túnel. Según los diversos sistemas, estos puntos poseen en su extremo una rosca o un gancho donde se aplica el aparato de medición. El punto de medida debe ir protegido con un tapón a fin de aislarlo del polvo del ambiente, que suele ser muy abundante en los túneles en construcción. La cinta extensométrica es una cinta métrica metálica junto con un sistema que permite ponerla a una cierta tensión constante y un reloj comparador que aprecia, como mínimo, la décima de milímetro. La cinta debe tensarse para que se aproxime lo más posible a la línea recta entre los puntos de medida. En una sección generalmente se colocan entre tres y cinco puntos o clavos de convergencia. Lo más habitual es un punto en clave y otros dos, uno en cada hastial. La sección de medida debe colocarse y empezarse a medir lo más rápidamente posible tras la excavación, ya que de otro modo se pierden gran parte de las deformaciones producidas. De todas formas, hay un porcentaje importante del movimiento que se produce por delante del frente (un 30% aprox.), y otro porcentaje que se produce antes de

Medida de convergeencim

empezar a medir (un 20% aprox.), por lo que con las convergencias únicamente se mide un 50% del movimiento total, o incluso menos. Las medidas deben hacerse diariamente hasta que se haya alcanzado la estabilización de los movimientos, e incluso dos lecturas diarias si la variación es muy brusca. Es conveniente realizar además medidas posteriores de comprobación con periodicidad mensual. La medida de convergencias es una medida SECCION DE CONVERGENCIA relativa, es decir, sólo se conoce la variación de distancias entre los puntos de medida, pero no su movimiento real. Todas estas características hacen que las convergencias se usen más bien de forma cualitativa que cuantitativa. Lo que interesa /////\\\\\ es conocer si la deformación se estabiliza y cuánto CINTA EXTENSOMETRICA tarda en estabilizarse, así como comparar unas secciones con otras, lo que nos da una idea de la calidad de la roca y de si el sostenimiento es adecuado para cada tipo de roca. Al ser una medida rápida de leer y económica, se puede colocar en muchas secciones. Normalmente se coloca una sección cada 25 metros en túneles normales de carretera, y cada 10 ó 15 metros en zonas de especial problemática o en grandes cavernas. Modernamente se utilizan también estaciones totales topográficas de precisión para la medida de convergencias. En este caso se colocan unas dianas reflectantes pegadas al hormigón en lugar de los clavos anclados. Otra posibilidad es estacionar el aparato en una base fija y durante la medida ajustar el prisma sucesivamente en cada punto de lectura. El primer sistema es más rápido de leer, pero tiene el inconveniente de la suciedad que se deposita sobre las dianas, que imposibilita su lectura, y también la oscuridad del túnel, que dificulta la puntería del topógrafo hacia la misma. El segundo sistema resulta más caro al tener que colocar una base fija para el aparato y otra en cada punto de control y necesitar un operario adicional.

En ciertas ocasiones resulta muy conveniente controlar los asientos superficiales por encima del túnel. Esto es especialmente evidente en túneles urbanos, donde existen edificaciones próximas y la cobertera sobre la excavación es pequeña. En túneles de montaña no se suele hacer, salvo circunstancias especiales. El método habitual de medida es topográfico, utilizando un nivel de precisión, que permite apreciar el medio milímetro. Los hitos o puntos de nivelación se distribuyen sobre la traza del túnel, situando uno o varios lo suficientemente alejados del mismo para que sirvan de referencia. De este modo el nivel puede estacionarse dentro de la zona de influencia de la excavación.

Los puntos se deben proteger del tráfico y de los transeúntes mediante arquetas con tapa. El clavo de medida irá bien anclado en el terreno. Las medidas deben comenzarse antes de que la excavación del túnel alcance la sección de medida, y prolongarse por lo menos hasta que el frente se aleje dos o tres diámetros. Las lecturas suelen tener bastante dispersión por causas meteorológicas, ya que el volumen del terreno superficial resulta ser bastante sensible al contenido de humedad, que varía estacionalmente. Existen aparatos más específicos que controlan un edificio en concreto que se halle próximo al túnel. Pueden instalarse medidores de asientos con mecanismo hidráulico, mucho más sensibles; también clinómetros para control de la inclinación de las fachadas, fisurómetros o testigos de yeso para controlar la apertura de grietas existentes, etc.

Sec de medida

1

Los extensómetros de varillas y los inclinómetros son los aparatos más usados para medir los movimientos del interior del macizo rocoso. Son caros de instalación, por lo que únicamente se colocan en puntos de especial problemática, que requieran un análisis más detallado. En los túneles conviene normalmente concentrar todos los aparatos de medida en una misma sección completa de auscultación (véase figura 8.3), situada en una zona que pueda considerarse a priori más complicada que el resto. Las secciones completas necesariamente han de ser pocas en número debido a su alto coste, pero a lo largo del túnel tendremos gran número de secciones de convergencia, con lo que podremos extrapolar los resultados de las secciones completas a toda la excavación. E l funcionamiento del extensómetro de varillas puede observarse en esquema en la figura 8.4. Está formado por un taladro en el que van alojadas una o varias varillas. Las varillas están protegidas por una vaina de plástico excepto en su parte final. Al rellenar el taladro con una inyección de mortero se consigue anclar cada varilla a profundidades distintas.

En la cabeza se coloca una pieza especial que permite leer la posición de cada varilla, bien mediante un reloj comparador, bien de forma automática mediante un potenciómetro. El extensómetro, pues, proporciona la variación de la distancia relativa entre la cabeza y cada punto de anclaje. No se trata de una medida absoluta, y si queremos conocer los movimientos absolutos debemos controlar topográficamente la cabeza o bien suponer que la varilla más profunda no sufre desplazamientos. Las lecturas son de gran precisión (hasta la centésima de milímetro) y con poca dispersión en los resultados. Los extensómetros suelen ser de una a cinco varillas, que normalmente van alojadas en el mismo taladro, aunque puede resultar conveniente en ocasiones efectuar un taladro distinto para cada varilla. El extensómetro puede colocarse desde el interior o desde el exterior del túnel (figura 8.3). En general será preferible desde el exterior, pues puede comenzar a medirse antes del paso del frente por la sección, y además la lectura es mucho más cómoda. Desde el interior tendremos el mismo problema que con las convergencias: gran parte del movimiento ya habrá ocurrido cuando empiecen las lecturas. El problema de los extensómetros de exterior es que únicamente pueden instalarse en el caso de túneles relativamente someros. Por otra parte, el esquema del funcionamiento de un inclinómetro se muestra en la figura 8.5. Este aparato de medida permite medir movimientos del terreno en dos direcciones perpendiculares, pero contenidas en un mismo plano horizontal. En un taladro, realizado desde el exterior, se introduce y se fija, mediante inyección de mortero, un tubo provisto de ranuras que sirven de guía. En el tubo se introduce una sonda que se desplaza por el tubo siguiendo las guías. Esta sonda es capaz de medir su desviación con respecto a la vertical, con lo que podemos calcular el desplazamiento horizontal entre ambos extremos de la sonda, que normalmente distan un metro. La sonda se introduce hasta el fondo y se va extrayendo, efectuando una lectura a profundidades dadas. De este modo se obtiene la deformación horizontal del terreno en función de la profundidad. Es una curva relativa, y para hacerla absoluta hemos de suponer que el fondo del inclinómetro tiene movimiento nulo, o bien controlar topográficamente la cabeza. La precisión conseguida con un inclinómetro llega a la centésima de milímetro, pero, al tratarse de una lectura manual, está sujeta a posibles errores de lectura. Sólo puede colocarse desde el exterior, por lo que en túneles profundos no puede utilizarse.

Disposiciórz radial y tramvei"sal de las céhlas de pesión

Células de m g a mecázica

1

Para medir las tensiones a las que trabaja el hormigón proyectado, o el anillo de hormigón encofrado de un túnel, se utilizan las células de presión. Su funcionamiento es hidráulico y constan de una placa hueca elástica rellena de un Iíquido a presión. Midiendo las variaciones de presión de dicho Iíquido conoceremos los incrementos de presión del material que rodea a la placa, que es el hormigón. Las células pueden colocarse de forma radial o tangencia1 (figura 8.6). Las radiales miden la presión que el terreno ejerce sobre el revestimiento, mientras que las tangenciales miden las compresiones dentro del anillo de hormigón. Con los espesores habituales de hormigón proyectado (5-20 cm) no hay espacio suficiente para colocar células tangenciales, por lo que su uso se limita a los revestimientos de hormigón encofrado. Estas medidas tienen una probabilidad alta de contener errores debido a defectos en la colocación de las células: el apoyo entre placa y terreno no es perfectamente liso, el hormigón no envuelve perfectamente a la placa, el mecanismo hidráulico de la célula pierde presión, etc. Por otra parte, sólo se miden las tensiones diferidas, pues la mayor parte de las deformaciones han ocurrido antes de colocar la célula. Por todo ello las células de presión no se utilizan nada más que en ocasiones especiales en que puedan tener interés, fundamentalmente para controlar las cargas diferidas sobre los revestimientos de hormigón del túnel. Mediante pequeños extensómetros de cuerda vibrante colocados dentro del hormigón, pueden medirse, con relativa precisión, las deformaciones de éste, y pasar a tensiones supuesto conocido el módulo de deformación del material. Este es un método indirecto que no se utiliza habitualmente por su poca precisión. Las células de carga (figura 8.7) miden de forma mecánica o hidráulica la fuerza que la placa de cabeza de un anclaje ejerce sobre la roca. En los anclajes es de mucha utilidad para su control, pero la aplicación a los bulones de un túnel no es inmediata. En efecto, los bulones usados como sostenimiento de excavaciones subterráneas son generalmente pasivos y de anclaje repartido en toda su longitud, por lo que teóricamente su placa no ejerce presión sobre la roca. Si en un bulón normal colocamos una célula de carga no mediremos nada. Por tanto, para controlar el bulón lo que se suele hacer es instrumentar un anclaje de barra en lugar de un bulón. Es decir, el bulón con célula deberá ser activo y anclado sólo en la punta, dejando el fuste libre. De este modo podremos medir la evolución de la carga del bulón a lo largo del tiempo. Como se puede apreciar, la instrumentación no se corresponde directamente con el elemento de sostenimiento empleado, por lo que su interés es escaso.

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