Tuneles Carreteros

TUNE LES CARRE-TE ROS

M E X 1 C O D. F. Sociedad Mexicana de Mecánica da Suelos, A.C.

1985

1 .

©

Copyright México, 1983.

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. Valle de Bravo No. 19, Col. Vergel de Coyoacán, 01434-México, D.F., México Prohibida la reproducción sin autorización escrita. Hecho en México. Las opiniones y conclusiones expresadas en esta publicación son responsabilidad exclusiva de sus autores. Editor: Alfonso Olivera Bustamante.

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AGRADECIMIENTO la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, agradece su valiosa colaboración a todas las personas, empresas y' organismos oficiales que hicieron posible y contribuyeron al éxito de este Seminario, organizado por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos en colaboración con la Sociedad Mexicana de Mecánica de Rocas y la Asociación Mexicana de Vías Terrestres; contando con el patrocinio de la extinta Secretaría de Asentamientos Humanos y Obras Públicas. Se agradece en particular a la Secretaría de Comunicaciones y Transportes el patrocinio de la impresión de esta Memoria.

111

El Seminario de Tuneles Carreteros fué organizado por la Mesa Directiva 1981-1982. Conforme a_los objetivos de la So ciedad Mexicana de Mecánica de Suelos de difundir los conocimientos de esta especialidad, la Mesa Directiva 1983 1984 llevó a feliz término la edición e impresión de dicho Seminario.

IV

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A. C.

MESA DIRECTIVA

1981 -1982

1983-1984

luis Vietes Utesa Germán E. Figueroa Vega Jaime A. Martínez Mier Manuel Jara lópez J. Rafaél Alpuche Cual Jorge Flores Núf'lez J. Alfonso Mier Suárez Sergio A. Ruelas Moncayo

Gabriel Moreno Pecero Raúl F. Esquive! Díaz Alberto Jaime Paredes Agustín Deméneghi Colina Roberto Avelar lópez Hugo S. Haas Mora Alfonso Olivera Bustamante Armando Wong Ramos

CONSEJO CONSULTIVO Enrique Tamez González Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco luis Vietez Utesa.

Alfonso Rico Rodríguez Enrique Tamez González Guillermo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos J. Orozco y Orozco

V

SEMINARIO DE TUNELES CARRETEROS REUNION TECNICA OCTUBRE DE 1982 .

MEXICO, D.F.

ORGANIZADOR: ARMANDO WONG RAMOS

'

-

SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. VIl

COMITE DE OBRAS SUBTERRANEAS Germán E. Figueroa Armando Wong Ramos Luis Vieitez Uteza Daniel Reséndiz Núf\ez Carlos E. Castaneda Narváez Fernando Arean Carrillo Andrés Moreno Fernández M. Luis Salazar Zúf\iga César Mondragón Lerma Hermilo del Castillo Mejía Arturo A. Bello Maldonado Mariano Ruíz Vázquez

IX

CONTENIDO PAG. PROBLEMAS GEOTECNICOS

-

H. DEL CASTILLO MEJ lA

1

OPERACION DE TUNELES

-

A. MARTINEZ DURAN

7

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO

-

L. VIEITES UTESA

11

METODOS PARA EL DISEÑO DE TU N ELES.

-

J. OROZCO Y OROZCO

15

ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS.

-

J. L. ROSAS

37

ESTUDIOS PREVIOS

- C. F. SALINAS F.

EXPLORACION Y MUESTREO PARA DEFINIR PARAMETROS DE DISEÑO DE TUNHES CARRETEROS.

-

C. BOTAS ESPINOSA

53

EXCAVACION Y ADEMES

-

E.J. FLORES SANCHEZ

62

ALGUNOS ASPECTOS SOBRE LA FACTIBILIDAD DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEL CARRETERO EN EL ESTADO DE CHIAPAS. REPUBLICA MEXICANA.

48

66

-M. A. C. - H.

CONSTRUCCION DE TUNELES EN SUELOS MEDIANTE EL EMPLEO DE --ESCUDOS O MAQUINA$ ROZADORAS.

PEREZ GONZALEZ BELLO MALDONADO SAUNAS F CANSECO ARAGON

77

EXCAVACION DE TUNELES MEDIANTE EL USO DE TOPOS O MAQUINAS EXCAVADORAS DE TUNELES DE ROCA

-H. CANSECO ARAGON

86

COSTO DE TUNELES

-V. HARDY MONDRAGON

91

PROCEDIMIENTO DE ·coNSTRUCCION PARA LA EXCAVACION DE TUNELES.

-

J. HUIDOBRO

114

VOLADURASSUBTERRANEAS

-A. SAMUELSON

-187

ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES

-

M.A. NAVA URIZA

· - Material proporcionado por el personaltécnico de Philips Mexicana S.A. de C.V. División Alumbrado

LA ILUMINACION DEL PUENTE Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO

XI

200

207

PROBLEMAS GEOTECNJCOS

H. del Castillo Mejía

1.

ANTECEDENTES

la construcción de los túneles está, por antonomasia, ligada a la Mecánica de Rocas y a la Geología Aplicada; raros son los túneles cuyo trazo discurra por completo sólo por suelos, aun cuando en esos casos poco frecuentes en número, puedan presentarse algunos de los problemas más difíciles de resolver en el arte de la construcción de túneles, Además, las rocas intensamente fracturadas o las más moderadamente rotas, pero con sus juntas y fracturas rellenas de suelo, presentan comportamientos que resultan imposible de separar nítidamente de los que son objeto de interés por parte de la Mecánica de Suelos. los túneles son quizá la estructura en la que más difícil puede resultar intentar separar las tres disciplinas de la Geotecnia, la Mecánica de Suelos, la Mecánica de Rocas y la Geología Aplicada. la utilización de los t(meles en la tecnología de las vías . terrestres está muy desigualmente repartida. Desde luego estas estructuras constituyen un recurso familiar a los proyectistas y constructores de vías férreas en todo el mundo, pero en las carreteras el empleo de los túneles parece, hasta cierto grado, materia de preferencia personal de .los proyectistas o de costumbres y tradiciones imperantes en cada país. Hay naciones en cuya red carretera el túnel es una estructura frecuente y hasta hay algunas, en que cabría preguntarse si no es demasiado frecuente; muchos países de Europa son ejemplo de todo lo anterior. Hay otras muchas naciones en que, por el contrario, los túneles escasean muchísimo en las redes carreteras o no existen en absoluto.

construcción, iluminación, ventilación, etcétera, que conllevan los túneles. No cabe duda de que el balance de todos estos criterios debe condicionar, en una red de transportes bien concebida, una mayor incidencia de túneles en las vías férreas que en las carreteras, pero también es probable que en estas últimas esta clase de estructuras resulte con cierta frecuencia la económica y la conveniente. El túnel es una estructura de·construcción peligrosa e incierta, pese a lbs avances que sus técnicas him experimentado en los últimos anos; por lo menos esa es la opinión de muchos hombres con experiencia en la construcción de vías de transporte. Mt¡cho más que en ot[aS estructuras de las vías terrestres, ocurren en los túneles situaciones no previstas por la exploración y los estudios previos, que hacen aparecer montos adicionales muy importantes de trabajo, tiempo y dinero que trastornan los programas de construcción y provocan dificultades sociales y políticas; naturalmente que estos riesgos serán tanto menores cuanto mayor sea el monto de exploración y estudios previos que se efectúen. Todo esto influye seguramente bastante en el hecho de que los constructores de carreteras de muchos países los eviten casi siste-. máticamente. Al lado de esto, en esos mismos países, los constructores de vías férreas opinan que los túneles pueden hacerse con seguridad y dentro de normas de programación ·muy razonables; de hecho no es raro que entre Jos proyectistas de los dos grandes tipos de vi as terrestres esté planteada una amistosa, pero muy viva polémica, sobre las virtudes del túnel, los azares de su construcción y los alcances de su ca m. po de aplicabilidad.

Desde luego, el que haya o no un túnel en un determinado lugar de una carretera es, ante todo, una cuestión de topografía, de que exista un obstáculo que al ser atravesado permita ahorrar longitud de trazo guardando los requerimientos adecuados de curvatura y pendiente. En los ferrocarriles, los costos de operación ligados al desarrollo del trazo y las exigencias de curvatura y pendiente son sumamente importantes, por lo cual los proyectistas de vías férreas están acostumbrados a tomar en cuenta el túnel en sus análisis de alternativas y a adoptarlo como solución final frecuentemente, cuando resulta más favorable que las demás soluciones tentativas competidoras.

Las técnicas actuales permiten afrontar la construcción de los túneles con el mis'mo ambiente general de seguridad y esperanza de éxito que se tenga en cualquier otra gran obra de ingeniería. la decisión de construcción de un túnel debe ser, en la gran mayoría de los casos, una cuestión económica y de disponibilidad de equipo, en la que la decisión resulte de la comparación usual entre los costos de construcción, de operación y de mantenimiento. El túnel debe ser sistemáticamente tomado en cuenta dentro del conjunto de soluciones disponibles y construido cuando resulte ser la solución más económica, segura y conveniente.

En las carreteras, las exigencias de pendientes y curvatura son mucho más flexibles y, en muchos país.es, las intensidades de tránsito permiten, por ser relativamente bajas, mayores desarrollos longitudinales, con tal de evitar los costos de

El arte de la construcción de túneles debe figurar en las vías terrestres en otro aspecto diferente del usual. Muchas veces el túnel es una solución muy apropiada para la construcción de alcantarillas, obras de drenaje y de desvío, y también en

transformarse en bidimensionales a medida que las zonas en que se producen van quedando más atrás y el avance de la obra continúa. Los cambios de estados de esfuerzos que produce la excavación no pueden ocurrir sin deformación en el medio; cuando hay revestimientos, éstos se deforman también. Los procesos de deformación resultantes evolucionan con el tiempo, de manera que este último representa una nueva variable en el proceso. La excavación produce cambios en las presiones de poro del agua en su vecindad; como el túnel representa siempre una zona a la presión atmosférica, invariablemente el agua tenderá a fluir hacia su interior. De esta manera, el juego de presiones en el agua constituye otra importante variable del problema; en suelos de permeabilidad relativamente baja, la adaptación de las presiones del agua a los nuevos estados de esfuerzos de ninguna maAeraes instantánea, por lo que el tiempo influye otra vez a través de los mecanismos de evolución de presiones de poro y de transmisión de presiones a la estructura sólida del suelo. La aparición de presiones efectivas allí donde las presiones de poro se vayan disipando es fuente de la generación de nuevos esfuerzos cortantes y de nuevas deformaciones del medio. Todo el cuerpo puede aún complicarse más por la aparición de toda una serie de efectos viscoplásticos, tales como el creep.

estos campos debe de ser tomado en consideración. Los túneles constituyen excelentes obras de subdrenaje. 2. INTRODUCCION El análisis de las presione$ de tierra sobre los recubrimientos de los túneles, se hace generalmente con una metodología que tiene su raíz en los estudios teóricos, pero modificados e influenciados por la intuición y la experiencia, de manera que, a fin de cuentas, el diseño de tales recubrimientos es más un arte que una ciencia. Hay soluciones teóricas del problema que permiten calcular los esfuerzos y las deformaciones de los túneles en materiales idealizados, pero el proyectista debe adaptar los cálculos a materiales reales, cuyas propiedades no necesariamente son las mismas que las de los materiales ideales considerados; además, las propiedades del material real rara vez se conocen en forma segura y cambian mucho en distancias cortas. Como consecuencia, los conceptos presupuestos en las soluciones teóricas a menudo no son muy satisfactorios. Por lo anterior, será preciso continuar investigando el comportamiento de los túneles, para llegar a mejores métodos de análisis; es opinión general de los especialistas que la combinación de estudios teóricos y de conocimiento empírico, resultado de observación y mediciones de comportamiento de túneles reales será el camino más prometedor para llegar pronto a mejorar substancialmente los métodos de análisis de que hoy se dispone o para desarrollar otros nuevos y mejores.

La construcción del túnel no sólo cambia los estados de esfuerzos en el interior del medio, sino que muchas veces cambia el propio medio; el empleo de los explosivos suele reducir la resistencia de rocas y suelos duros en torno a la galería y otros métodos de excavación tales como escudos, producen remoldeo en los suelos vecinos. Solamente en túneles que puedan excavarse en forma manual y en los que no se requiera ningún tipo de ademe podrá pensarse que la perturbación en los materiales de la galería sea realmente pequeña.

El primer requisito para tener un túnel satisfactorio es que pueda construirse en forma segura, de manera que permanezca compliendo sus funciones por sí mismo o con ayuda de un revestimiento. El segundo requerimiento será que la construcción no cause daños a estructuras vecinas, si las hubiere; es frecuente que en las zonas en que las densidades de tránsito y otras condiciones permiten o aconsejan la construcción de túneles (sobre todo carreteros) existan desarrollos urbanísticos que pueden ser influenciados por la obra. Una tercera condición que debe cumplir un túnel satisfactorio es revelarse capaz de permanecer durante toda su vida de servicio a cubierto de las influencias a que pueda quedar sujeto. La primera de éstas será la presión de tierra, pero otros muchos accidentes o circunstancias pueden ser importantes.

3.

La mayor parte de los túneles en suelos han de ser ademados en algún momento de la construcción. Muchas veces el ademe se requiere para garantizar la estabilidad inmediata; en ocasiones, inclusive antes de iniciar la excavación han de mejorarse los suelos involucrados. Los ademes son generalmente rígidos, formados con piezas de madera o de acero, aun cuando con cierta frecuencia se utilizan en una primera etapa otros métodos de soporte que dan lugar a sostenes mucho más flexibles, si bien, aun en tales casos, lo común es construir un ademe rígido muy poco tiempo después. También es común que el revestimiento pueda construirse con un cierto desfasamiento respecto al avance de la excavación, de manera que su erección vaya avanzando a cierta distancia detrás. En este caso se produce una relajación parcial de los esfuerzos en la parte de la excavación no sostenida, la cual está asociada a los movimientos del terreno que se produzcan antes de colocar el revestimiento. También muchas veces se construye un soporte que posteriormente se expande, apretándose contra las paredes del túnel; este proceso induce un incremento en los estados de esfuerzos, tanto en el revestimiento como en el terreno y estos nuevos esfuerzos producen las correspondientes deformaciones.

IDEAS GENERALES SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS TUNELES

La apertura de un túnel cambia las condiciones de esfuerzos en el medio original, que puede concebir6e en principio como una masa en equilibrio dentro de un campo gravitadona!. Los cambios que tengan lugar pueden ocurrir en forma continua o por etapas, hasta que llegue a alcanzarse una condición final en la masa, ya relativamente invariable, que puede considerarse como de equilibrio definitivo. Esta condición final implica nuevas condi.ciones hidráulicas en el subsuelo y el cese de las deformaciones y los cambios de esfuerzo producidos por .la excavación.

Aun cuando no haya amenaza de un colapso, derrumbe o cierre de la excavación, puede requerirse el revestimiento como forma para mantener las deformaciones de la excavación en límites tolerables. Deformaciones muy grandes pueden distorsionar en exceso la sección estructural o producir cam-

Cuando se excava un túnel se produce una región de esfuerzos cambiantes, en la que generalmente se incrementan Jas presiones verticales y que se localiza en el frente de la excavación, desplazándose con ella. En el frente, los estados de esfuerzo son netamente tridimensionales, pero tienden a

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bios en la superficie del terreno o danos a estructuras próxilnas; además, las grandes distorsiones suelen producir reducciones indeseables en la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, como consecuencia de degradación estructural. De esta manera, ademe colocado a tiempo, puede impedir e.l desarrollo ultenor de fuertes presiones de tierra. los matenales expansivos, los que muestran tendencias a creep 0 las rocas con juntas rellenas de suelos arcillosos no pueden alca.nzar, de hecho, ninguna condición satisfactoria de equilibno fmal SI no se ademan y ello aun cuando inicialmente no presenten ningún signo de inestabilidad.

que se coloca para ayudar al material excavado a soportarse a sí mismo. Desde este punto de vista es muy importante el control de los movimientos, pues .mientras los muy grandes aflojan y debilitan al medio, haciéndolo perder capacidad de SOP.rte, los demasiado pequenos pueden impedir también, ya s~ diJO, que el material desarrolle toda su capacidad. E1permitJr que tengan lugar los niveles apropiados de desplazamiento es uno de los puntos esenciales también en el diseno de revestí~ mientos. El cómo controlar los movimientos depende mucho de las propiedades del material y de la naturaleza del propio revestimiento; para unas condiciones dadas existe una combinación óptima de flexibilidad y rigidez.

e!

Es posible e indeseable impedir del todo las deformaciones necesaria para llegar a de la galería. Algo de deformación una distribución favorable de las presiones y el ingeniero debe en cada caso determinar qué monto de movimiento mínimo debe tolerar para obtener beneficio y a partir de qué momento la deformación le resultará desfavorable. Este control de la deformación se hace sobre todo con restricciones y .acunamientos en el revestimiento. Las cargas que soporte un ademe o un revestimiento dependen de la condición del suelo en el momento en que dicho soporte se coloca; si el suelo hubiese alcanzado una condición de equilibrio final antes de que se coloque el revestimiento, éste no recibirá empujes posteriores, pero si el revestimiento se coloca antes de alcanzar el equilibrio final, representará una nueva condición de frontera al estado de esfuerzos y .deformaciones preexistentes, de manera que estos estados evolucionarán de manera diferente a que si el ademe no se hubiera puesto.

es

4.

TIPOS Y CAUSAS DE LAPRESION DE TIERRAS Y ROCAS EN TUNELES

En .la naturaleza, las rocas están sujetas a su propio peso y al peso de las masas sobreyacentes; como consecuencia, en su interior se desarrollan esfuerzos y deformaciones que se producen entre las partículas individuales constituyentes. Mientras la roca o un suelo duro estén confinados, no podrán producirse los desplazamientos interparticulares necesarios para que se desarrollen los estados de deformación correspondientes a los esfuerzos actuantes, por lo que éstos se acumulan o almacenan en el material, pudiendo llegar a valores muy altos, muy por encima de los límites de fluencia. Tan pronto como este material así esforzado pueda moverse, ocurrirán en él desplazamiento en forma de flujos plásticos o, inclusive, de "explosiones", en las que fragmentos de la roca o del suelo duro pueden salir proyectados violentamente; sólo si los esfuerzos residuales no han sobrepasado el límite elástico del material, ocurrirán desplazamientos en el rango elástico.

La excavación hace que, por lo menos durante un tiempo, los esfuerzos normales radiales en la frontera del material se reduzcan al valor de la presión atmosférica y esto conduce a· tales deformaciones en las paredes, que los esfuerzos que actúan finalmente sobre cualquier revestimiento que se coloque no se parecen en nada a los esfuerzos que había originalmente en el medio.

Las excavaciones que se hagan en el interior de la masa crean siempre un espacio vacío hacia el que se posibilitan los desplazamientos; a la vez, los pesos de los materiales suprayacentes actúan como una carga repartida sobre el techo de la excavación producida. la resistencia del suelo o de la roca proporciona los elementos resistentes, casi en nada movilizados antes de la excavación, como consecuencia de la situación prevaleciente de deformación impedida. Para mantener el orificio practicado, que tratará de cerrarse por sí mismo, suele ser necesario emplear elementos auxiliares de retención. la presión que estos elementos reciben del material que actúa en contra de ellos es la carga de roca o la carga del suelo, o la presión de roca o la presión de suelo, como también suele decirse.

la construcción de los túneles produce cambios radicales en las condiciones hidráulicas del subsuelo; éstos pueden ser temporales o definitivos, según sea la permeabilidad de la estructura. Un túnel generalmente produce abatimiento del nivel freático vecino a él y ello hace aumentar los esfuerzos efectivos en la masa de suelo y los pesos de esa masa, de donde resultan asentamientos no reversibles. Si el revestí. miento del túnel es impermeable o se toman precauciones para restaurar el contenido de agua y la condición de la misma en el suelo, el nivel freático se recuperará al cabo de un tiempo; en caso contrario el túnel será un dren permanente. La primera actitud conduce a la necesidad de que los revestimientos soporten adicionalmente presiones hidrostáticas, en tanto que la segunda exige tomar todas las precauciones para que el túnel funcione efectivamente como un dren, sin que ello interfiera en su utilización principal.

.

la determinación de estas presiones en un caso dado es uno de los problemas más difíciles a que puede enfrentarse un ingeniero geotécnico. Las dificultades provienen, no sólo de lo difícil que pueda ser establecer las condiciones primarias u originales de los esfuerzos en la masa virgen, sino también del hecho de que el estado de esfuerzos se modifica alrededor de la excavación, una vez practicada ésta y, como ya se comentó, esas modificaciones dependen de muchos factores difíciles de valuar, tales como la naturaleza y resistencia del suelo o roca, del tamano del orificio practicado, del método con que se produjo, de la forma y rigidez de Jos elementos de soporte que se empleen y del tiempo que se haya dejado la excavación sin sostén, antes de ponerlo.

Es evidente que siempre será económico y deseable un criterio de diseno que haga el máximo uso posible de la capacidad del material para soportarse a sí mismo. Una elección apropiada de los sistemas de revestimiento y de los momentos en que se instalen puede contribuir a minimizar las cargas de tierra y a hacer que el medio tome por sí mismo la mayor parte de sus ·presiones. De hecho, y·ésta es una regla fundamental, un revestimiento debe contemplarse siempre como una restricción

la historia de esfuerzos residuales de una masa rocosa o de

3

penden mucho en magnitud del momento de la instalación del ademe o de las características de éste, si bien la distribución de la presión si se ve afectada por estos conceptos. la presión de rocas y suelos firmes, en cambio, si se ve afectada por el momento en que se coloque el ademe, porque las deformaciones que siguen a la excavación varían mucho con el tiempo.

un suelo firme queda de un modo u otro reflejada en todo el conjunto de grietas, fisuras u otros accidentes que existan, pero suele resultar extraordinariamente difícil el poder establecer cuáles de esos esfuerzos actúan aún y juegan un papel. los suelos transportados se depositan en forma más o menos ininterrumpida y uniforme, adquiriendo un perfil de estratificación que suele ser relativamente poco perturbado por influencias externas. los estados de esfuerzos residuales no alcanzan generalmente valores muy elevados y es común considerar en los análisis de presiones sólo los esfuerzos verticales debido al peso de los estratos sobreyacentes y los horizontales, producidos como consecuencia. En los suelos residuales, por el contrario, es mucho más cercana la situación a la que prevalece en los macizos rocosos y la herencia de la roca original se manifiesta no sólo en accidentes, fisuramientos o fracturamientos, sino también en estados de esfuerzos previos de tipo residual. Otro tanto sucede en las formaciones de roca fragmentada o de roca fisurada, que figuran en la frontera entre suelos y rocas. De esta manera han de establecerse diferencias básicas, desgraciadamente no bien dilusidadas, entre las formaciones de suelos transportados y las de suelos residuales o las de materiales de comportamiento que pudiera considerarse mixto. Parece probable que en las formaciones de suelo residual o en las formaciones de roca fragmentada, o muy fisurada (con esas fisuras rellenas de suelo) lo razonable sea estimar las presiones con métodos que no se aparten mucho de los que establece la Mecánica de Rocas, en tanto que en las formaciones de suelos transportados podrán utilizarse esquemas más sencillos, que consideren sólo el esfuerzo vertical del peso y el horizontal causado por el anterior.

las razones para que se desarrollen las presiones sobre los ademes son las siguientes: Aflojamiento de las masas de roca o suelo firme El peso de masas sobreyacientes las fuerzas tectónicas Expansión del material en que se excava el túnel Estos mecanismos conducen a la aparición de tres tipos de presiones sobre los techos de los túneles: Presión por aflojamiento Verdadera presión de montaña Presión por expansión Estos tipos de presiones pueden presentarse individualmente o en conjunto. El tipo de presión que se desarrolla en un caso dado depende mucho de la naturaleza del material sobre y alrededor del túnel. Conviene diferenciar tres casos: Rocas sanas y masivas Rocas blandas o meteorizadas. Suelos residuales duros

la experiencia actual parece probar que en las rocas los estados de esfuerzos no se establecen en la forma diferenciada entre esfuerzos horizontales y verticales que es común aceptaren los suelos; hay indicaciones importantes en el sentido de la existencia de estados iniciales hidrostáticos, antes que orientados y a éstos se sobreponen Jos esfuerzos tectónicos muchas veces actuando en sentido opuesto al campo gravi~ tacional. las juntas de las rocas, con sus orientaciones en cualquier dirección parecen comprobar que la dirección vertical no es en las rocas, ni con mucho, tan privilegiada como suele considerársela en los suelos.

Suelos blandos, residuales o transportados 4.1

Presión por aflojamiento

Cuando se afloja la masa de roca o suelo firme sobre el techo de un túnel, por efecto de la excavación y del peso de la carga sobreyacente, el comportamiento de esa masa puede asimilarse al de una masa de suelo granular colocada en un silo, cuando en el fondo de éste se abre una abertura. Esta es la condición de presión que consideró Terzaghi en sus análisis sobre empujes en túneles de manera que la presión por aflojamiento de la roca se considera hoy básicamente representada por los mecanismos de arqueo propuestos por él; éstos se desarrollan más cuanto más friccionante y menos cohesivo sea el suelo o la roca fisurada o fragmentada; ello no quiere decir que estos efectos no ocurran en cierta escala en suelos cohesivos; en éstos el aumento de presión posterior y la llegada al equilibrio final ocurre más lentamente y la disminución de presión por arqueo será más grande cuanto mayor sea la cohesión. ·

En los suelos transportados, especialmente en los depósitos arcillosos, es común observar que las presiones laterales no se desarrollan de acuerdo a lo que sería de esperar a partir de las deformaciones correspondientes, sino que van sufriendo un cambio gradual desde la condición inicial, en que el esfuerzo horizontal es una fracción del vertical hasta una condición final más parecida a la hidrostática. A partir de los trabajos de Terzaghi se ha hecho costumbre expresar las presiones secundarias de roca o suelo firme, es decir, aquellas que se ejercen sobre los ademes después de excavar el túnel, como el peso de una masa de una cierta altura sobre el túnel; se considera que ésta es la masa que se caería en primera instancia si no se colocara ningún ademe. las deformaciones del sistema de soporte producen arqueo posterior de la masa sobre el techo y alivio de la presión. El propio Terzaghi distingue el caso de las presiones ejercidas por Jos suelos plásticos blandos, en las que la deformación posterior del ademe no produce alivio. Estas presiones no de-

4.2

Verdadera presión de montaña

Este fenómeno aparece cuando los estados de presión secundarios que se desarrollan ya excavado el túnel, en sobreposición a los esfuerzos primarios en la masa, existentes antes de efectuar la excavación, exceden la resistencia del material excavado y no sólo en el techo, sino en los lados y aún en el piso del túnel; es decir, cuando los esfuerzos secundarios alcanzan un orden de magnitud semejante al límite de plastici-

4

dad del material. La condición puede producirse por una sobreposición de esfuerzos, en la que los esfuerzos originales del material se combinan con los .que se producen sobre un ademe como consecuencia de la excavación: pero también puede ser una condición natural, existente en el material antes de excavarlo, cuando en él existe lo que se llama un estado plástico latente, en el cual el flujo plástico de la roca o de un suelo residual muy firme se ha mantenido impedido por el confinamiento de masas vecinas. las experiencias de Karmán han demostrado que bajo estados triaxiales de compresión aún los materiales más duros pueden llegar a plas'fuicarse; todo es cuestión de la magnitud de los esfuerzos que se apliquen.

to y se caracteriza por un flujo plástico de la periferia hacia el interior, este fenómeno toma, en cambio, la forma de un fracturamiento sucesivo en materiales más duros. En términos generales, la zona plástica se desarrolla en mayor extensión cuanto más altos sean los esfuerzos en juego y más blanda sea la roca. o

En el caso del material de una montana a través de la que se. excava un túnel, el que el material esté previamente en esta. do plástico latente es simplemente cuestión de que la magnitud de las presiones verticales sea suficientemente grande(lo cual suele estar asociado a profundidades de cubrimiento importantes) y de que las expansiones laterales estén suficientemente impedidas. la condición no se manifiesta hasta que la deformación plástica pueda tener lugar; es decir, hasta que el confinamiento lateral desaparezca, lo cual ocurre · cuando se produce la excavación del túnel. Cuando aparece verdadera presión de montana comienzan a manifestarse movimientos en las paredes del túnel y solamente se manifiestan las presiones cuando el ingeniero intenta impedir esos movimientos. Si se permite el desarrollo de tales movimientos hasta que gradualmente decrezcan por sí solos, se creará una zona alrededor de la excavación libre de estas presiones. El efecto de esta región plastificada alrededor de la cavidad es producir una zona de esfuerzos relajados o aliviados; en esta zona el material está en el límite plástico. la genuina presión de montana es esencialmente una manifestación de las presiones geostáticas, que depende en mucho de la estructura geológica y de las perturbaciones tectónicas. Muchos autores consideran a esta presión como una presión primaria, de las que se refieren a los estados iniciales de esfuerzos, prevalecientes antes de excavar el túnel. Otros autores la consideran una presión secundaria puesto que se manifiesta cuando las presiones tangenciales que actúan en 'las paredes del túnel alcanzan un valor límite y exceden la resistencia a la compresión no confinada del material.

Como· se dijo, la presión ejercida sobre un ademe por este concepto depende de la flexibilidad del ademe y de la naturaleza del suelo o de la roca. Si basta una cedencia pequena para que la zona plástica se desarrolle por completo y las presiones se alivien, pudiera resultar conveniente colocar un ademe que tenga la posibilidad de ceder lo necesario; para estos casos, Mohr ha recomendado colocar un colchón de ceniza u otro material equivalente, entre el ademe y el túnel, para que este colchón proporcione la cedencia correspondiente. En. otras ocasiones, como ya se dijo, la intensidad de los movimientos en las paredes y en el techo del túnel, necesarios para que se desarrolle la zona plástica de presión disminuida, son tan importantes que no se puede permitir que ocurran por completo; en este caso, la magnitud de las presiones ejercidas aumenta en proporción al esfuerzo que· se haga para· impedir la cedencia del material. Estas presiones han de tomarse con ademe suficientemente resistente, espaciado lo necesario. En los suelos y rocas blandas, tambíéri se dijo que el desarrollo de la zona protectora es lento, por lo que las presiones iniciales pueden estar creciendo durante varios. meses después de colocado el ademe. la presión de IT!Ontana puede alcanzar miles de toneladas por metro cuadrado, al grado de hacer irrelevante cualquier sistema de ademe en que se piense, para estos casos de intensa presión, la colocación inmediata del ademe es negativa y si el revestímiento permanente ha de construirse antes· de que se desarrolle la deformación necesaria para un substancial y definitivo alivio de la presión, debe dejarse un espacio entre el revestimiento y el túnel y éste rellenarlo de escoria, cenizas o algún otro material cedente.

En tanto que en· el caso de las presiones por aflojamiento, la mejor norma suele ser excavar rápidam~nte y construir lo más pronto que se pueda un ademe cercano al frente de la excavación, en el caso de la presión de montana, según se desprende de todo lo anterior, no puede darse una regla única, independiente de la naturaleza.del material excavado. En las rocas duras y masivas, los fenómenos de presión de montana suelen manifestarse con la aparición de roca explosiva · que no afecta mayormente la estabilidad. En estos casos conviene usar un ademado rígido, coloéado tan pronto como se excava el material. En materiales blandos, no conviene la constr~cCíón inmediata, puesto que no daría tiempo al desarrollo de zonas plásticas de protección. Por otra parte, no puede pensarse en construir un ademe que resista toda la presión de montana susceptible de desarrollarse. Sin duda la mejor práctica es construir un ademe reemplazable, que se pueda ir sustituyendo a medida que se permita la cedencía del material; ya se mencionaron los criterios para hacer frente a aquellos casos en que una cedencia pequena basta para · aliviar la presión.

El efecto de la presión de montana depende del carácter de la roca o suelo. En arcillas, lutitas o en pizarras arcillosas se· produce un flujo en toda la periferia de la excavación; a la vez, los esfuerzos se alivian y se redistribuyen, la zona plástica aumenta de tamano y puede alcanzarse eventualmente una condición de equilibrio. Por el contrario, en materiales fuertemente pre-esforzados, el flujo puede continuar hasta que se cierre la cavidad. Al colocar un ademe, se reduce la zona plástica y puede llegarse a la estabilidad, a condición de que sea capaz de soportar las fuertes presiones que se producen como consecuencia de la restricción. Estas dependen de la flexibilidad del ademe y de lo que se hubiera desarroll.ado la zona plástica antes de construirlo.

4.3

Presión por expansión

Bajo ciertas condiciones se ha encontrado presión por expansión en arcillas, lutitas y pizarras alteradas o en otras rocas interestratifícadas con arcilla. la explicación a esta expansión

En las rocas poco duras o en los suelos, el desarrollo de lazona protectora en torno al orificio del túnel es mucho más len-

5

es de esperar el desarrollo de presiones de montaña aún con cubrimientos poco espesos. Presiones laterales o en el techo que se encuentren muy cerca de los portales, en túneles excavados en formaciones relativamente estables, ser'án indicio de la existencia de presiones por expansión. Una identificación más precisa de las presiones de expansión sólo es posible al investigar muy acupropulsados, en las mejores condiciones de seguridad, economía y comodidad compatibles con su función.

INTRODUCCION

El desarrollo que ha presentado el país en los últimos anos; se ha traducido para el sector transporte en un importante incremento en el movimiento de bienes y personas que hamotivado una mayor motorización y un senaladci aumento del tránsito en la red carretera.

Vista así, la solución túnel debe contemplarse con naturalidad, como lo, que es, una alternativa ingenierilmente válida y no verla como un tabú envuelta en el misterio de lo desconocido como sucede, da esa impresión, en su aplicación a túneles carreteros, quizás por la gran variedad de aspectos a considerar en este tipo de obra.

Así, el parque vehicular del país en los últimos anos ha crecido a una tasa de 15% promedio anual pudiéndose decir que actualmente circulan por las calles y carreteras nacionales, alrededor de 7 000 000 de vehículos, de los cuales, la proporción que transita la red carretera federal genera un movimiento diario de 103 millones de veh-km, cifra que significa, si se distri· buyera uniformemente el tránsito en la red federal. una utilización promedio de todos los tramos carreteros por volúmel)es de tránsito diario de 2 500' vehículos.

los túneles carreteros, principalmente cuando son de gran longitud, o sea del orden de 1 000 metros, requieren de una elevada concentración de inversión, razón por la cual justifican gastos en el proyecto fuera de lo común, esto debe entenderse porque se· trata de obras cuyo costo resulta del orden de $500 000.00 a $1 000 000.00 por metro lineal.

Se ha determinado, por medio de los aforos de tránsit, que una tercera parte de la red básica soporta volúmenes de más de 4 000 vehículos diarios, mismos que generan bajos nweles de servicio y operación deficiente en cerca de 10 000 km de la propia red.

Para este caso se requieren estudios interdisciplinarios con suficiente grado de detalle, a nivel de anteproyecto, para obtener presupuestos.confiables, hasta donde es posible, que retroalimenten el estudio de factibilidad económica para la decisión final en cuanto a la programación de la obra.

Para mejorar los niveles de servicio y por con~;guiente la operación de esos 10 000 km, se ha establecido un programa de modernización de carreteras, en el que el análisis de los proyectos, al igual que en el programa de ca.reteras nuevas, debe considerar el estudio de diferentes alternativas, entre las que se deben contemplar las soluciones a base de túneles en ciertos tramos, cuando las condiciones del terreno sugieran esa factibilidad.

2.

OPERACION

En los túneles carreteros o eón mayor amplitud en los túneles viales que incluyen el medio urbano, debe distinguirse operación eh el túnel de operación de/ túnel. El primer caso se refiere á las características del tránsito y su comportamiento dentro del túnel y el segundo, al equipamiento del propio túnel para ofrecer seguridad y comodidad al tránsito y en última instancia al usuario, aunque debe reconocerse que existe una estrecha vinculación entre estos dos cpnceptos.

los proyectos de las carreteras, se desarrollan bajo una metodología conocida que consid_era tres etapas, la selección de ruta, el anteproyecto y el proyecto definitivo. las distintas alternativas se plantean originalmente en la etapa de , selección de ruta y aquéllas que resultaron con mejores posibilidades se analizan a nivel de anteproyecto para seleccionar la que deba pasar a proyecto definitivo para su construcción.

2.1

Operación en el túnel

Depende de los volúmenes y composición del tránsito, pues representan el dato a partir del cual se establecen las especificaciones de proyecto que permitirán disef\ar las características geométricas de la planta, el perfil y la sección transversal desde el punto de vista del tránsito. Requisitos geológicos, geotécnicos, de drenaje, ventilación y demás relativos al equipamiento del túnel, cpnstituyen elementos de igual jerarquía para definir la geometría que finalmente integrará el proyecto.

Dentro de este enfoque metodológico del proyecto, el túnel, como un puente o un viaducto, constituye como obra especial producto del ingenio del hombre, una solución para salvar un obstáculo y debe considerarse .parte de un todo, más importante, como lo es en sí la carretera, que debe cumplir con su

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3%, debiéndose revisar el perfil con un análisis de capad-

En la actualidad, los proyectistas de carreteras disponen de ·especificaciones relacionadas con las características geométricas de las carreteras al aire libre. E1 problema para un proyectista de túneles, es conocer en qué medida las características geométricas recomendadas para las carreteras al aire libre, pueden adoptarse o reducirse para la construcción de túneles sin que esto tenga efectos desfavorables para la fluidez de la circulación y la seguridad. Sobre este particular a continuación se expresan algunos conceptos y criterios.

..dáá y nivel de servicio del túnel para asegurarse que no se genere un cuello de botella. Cabe senalar, que en los túneles que requieren de ventíla~ión artificial, se originan aumentos importantes del aire necesario para diluir los gases nocivos y humos que adicionalmente resultan de las pendientes elevadas, así, a manera de ejemplo, se tiene que para una pendiente de 4% el incremento a la circulación del aire resulta del 20% en relación a una rasante a .nivel.

En cuanto al cálculo de la capacidad y niveles de servicio, puede decirse que en la etapa actual de conocimientos, los métodos de cálculo y los valores utilizados no se diferencian de los aplicados para vías al aire libre, por lo cual, los volúmenes de servicio y la capacidad determinados para el proyecto Y su evaluación, no requieren de co'nsideraciones especiales en el caso de túneles.

Para túneles de dos carriles, uno en cada sentido de la circulación, se recomienda no exceder un valor de 2% en la pendiente para evitar la formación de tapones o largas colas en la circulación, originadas por los vehículos pesados. En nuestro país, estos vehículos representan un 30% a 40% de la circulación dependienta del tipo de carretera.

Por lo que se refiere a la selección de las especificaciones de proyecto geométrico, debe apuntarse que deben ser consistentes con la velocidad de proyecto y las propias especificaciones de la autopista o carretera al aire libre.' Sin embargo, debe tenerse en mente que un túnel es una obra de carácter permanente, no susceptible a modificaciones en trazo y perfil ni a ampliaciones de la sección transversal, de ahí que sus especificaciones deban .concebirse con criterios generosos.

la longitud de las curvas verticales debe garantizar que en cualquier punto dentro del túnel y en sus accesos, se otorgue la distancia de.visibilidad de parada para la velocidad autorizada como medida mínima de seguridad; sin embargo, principalmente para el caso de 2 carriles de circulación, uno en cada sentido, se recomienda, siempre que sea posible, proporcionar la distancia de visibilidad de rebase como medida de mayor seguridad,· aún cuando. se reglamente la prohibición de rebase o cambio de carril en el interior. ·

Para el trazo en planta, debe procurarse que el túnel se aloje en tangente y si es necesario introducir una o más curvas, que éstas resulten del menor grado de curvatura posible, debe recordarse que a menor curvatura se requiere menor ampliación en la sección transversal con la consiguiente reducción en costo, además de las ventajas operacionales que ofrecen las curvas suaves.

La pendiente mínima en este tipo de obra, debe garantizar el drenaje de las aguas durante y después de la construcción, por Jo cual se deben prever pendientes para este caso, del orden de 0.25 a 1.00%.

Los accesos al túnel deberán trazarse, si es el caso, introduciendo grados de curvatura que permitan una transición de velocidades adecuadas a las que se tendrán fuera y dentro del túnel como medida de seguridad, pues cualquier accidente en esos sitios podría provocar un congestionamiento dentro del túnel, situación totalmente inconveniente.

El proyecto de la sección transversal constituye un capítulo que merece especial atención, puesto que su forma y dimensiones insiden en forma muy notable en el costo de la obra como resultado de la integr~ción de los requisitos impuestos, por el tránsito para su .correcta operación, por el equipamiento del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios y .por los estudios geológicos, geotécnicos e hidrológicos para la estabilidad de la obra.

El trazo debe prever que los entronques se retiren a la mayor distancia posible de los túneles, pues las rampas de acceso y los entrecruzamientos constituyen puntos de conflicto que en el interior de estas obras significan un mayor peligro potencial, por el tiempo que requiere el conductor para adaptarse de la condición de alumbrado natural al artificial o viceversa; esto, además del impacto en el costo al requerirse una mayor sección transversal en esas zonas.

Así, en cuanto a los requisitos impuestos por el tránsito, se considera que la sección transversal para un tubo que contenga dos carriles, debe presentar un ancho total de 9.50 m con el siguiente arreglo: dos carriles de 3.50 m cada t,~no, fajas de contracción por banquetas de 0.50 m a cada lado y banquetas de 0.75 m, también a cada lado.

El alineamiento vertical o perfil de u.n túnel tiene un efecto muy importante en la capacidad y operación del tránsito, por lo cual, su proyecto requiere de especiales cuidados en los siguientes aspectos:

H carril de 3.50 m de ancho, desde el punto de vista de la capacidad y de la seguridad, ofrece las mejores condiciones de operación; la franja de 0.50 m para disminuir el efecto de contracción del tránsito por la presencia de un obstáculo lateral como es la banqueta, ofrece mejores condiciones de seguridad y permite que el tránsito conserve la velocidad de operación sin disminuirla; las banquetas son necesarias para protección de peatones en caso de alguna emergencia y para las labores de conservación de los dispositivos de seguridad, alumbrado y senalamiento alojados en las paredes del túnel.

Las pendientes máximas en los accesos al túnel y dentro de él, deben tener un valor tal que permita la circulación de los vehículos pesados a una velocidad mínima del orden de 50 km/h lo cual impone pendientes máximas de.2.5 a

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Se recomienda que las banquetas sean bajas con guarnición montable para que en caso de la descompostura de algún vehículo, éste pueda hacerse a un lado· sobre la banqueta, permitiendo en esta forma mantener el flujo en dos carriles aunque con restricción en la velocidad.

El cálculo de la renovación de aire fresco, se basa en la deter· minación de los volúmenes de tránsito. Para túneles urbanos generalmente se usan los valores que corresponden a la capacidad, o sea, 2 000 vehículos ligeros por hora y por carril; sin embargo, es frecuente considerar condiciones de congestionamiento en que se tienen avances sucesivos de pocos metros, tomándose para este caso, valores de densidad del tránsito de 180 vehiculos ligeros por carril y por kilómetro. Para túneles en el medio rural, que manejan altos volúmenes de tránsito, se recomienda tomar, para el cálculo, el volumen correspondiente a la capacidad.

Es importante senalar que, pára asegurar la continuidad del· flujo de tránsito en toda la carretera, se recomienda no reducir en un túnel el número de carriles que tiene la carretera al 1 aire libre. En lo que se refiere al gálibo vertical que se requiere para la circulación de los vehículos, la experiencia en nuestro país, derivada de la observación de pasos a desnivel; senala la conveniencia de proyectar con gálibos de 5.00 m para evitar danos al túnel, a sus instalaciones y a los propios vehículos.

A partir del volumen de tránsito definido con los criterios antes senalados se determinan las cantidades de monóxido de carbono y de humos que se requiere diluir con la inyección de aire fresco, a través del sistema de ventilación conveniente para cada caso particular, pudiendo ser el sistema seleccionado del tipo longitudinal, semitransversal o transversal, enunciados del de menor al de mayor costo.

Los requisitos impuestos por el equipamiento del túnel para la seguridad y comodidad de los usuarios, condicionan las dimensiones de la sección transversal para disponer de los espacios necesarios para alojar los duetos de ventilación o un mayor gálibo vertical si se requieren aceleradores para ventilación longitudinal. En los túneles abovedados, la ventilación generalmente no influye en las dimensiones de la sección.

El equipamiento de un túnel largo con elevados volúmenes de tránsito, requiere de dispositivos de detección de monóxido de cárbono y de humos, que determinen su concentración en la atmósfera del túnel y transmitan esa información a una sala de control de operación en donde a través de una computadora se regule la inyección de aire fresco.

En lo que se refiere a iluminación, en los túneles abovedados y en los circulares con falso plafón, así como en los rectangulares cuando las hileras de alumbrado y los dispositivos de senalamiento se colocan sobre la calzada, debe considerarse una altura adicional igual a la de esos dispositivos.

El paso de las condiciones de luminosidad del exterior al interior de un túnel, exige del conductor de un'vehículo un esfuerzo de adaptabilidad a los cambios de luz. La adaptación residual al cambio de luz es una función' de la retina y requiere de un tiempo mayor al pasar de luz a obscuridad que el necesario en el caso contrario. Es por ello que, como una medida importante de seguridad, se especifica la iluminación, con base en criterios y normas que consideran la longitud del túnel, la velocidad de operación, los tiempos de adaptación de la retina, los niveles de luminosidad en los accesos al túnel y el tipo de vehiculos que circulan, ya sea en un solo sentido o en ambos.

Se debe prever que la conducción de cables para las distintas instalaciones del túnel, se aloje en un lugar accesible y que permita inspeccionarlos en toda su longitud. En el caso de túneles de sección abovedada o circuléir, conviene utilizar los espacios disponibles fuera de la sección de circulación del tránsito. Es importante senalar que la forma y el dimensionamiento finales de' la sección transversal del túnel, para efectos de construcción, se derivan de los estudios geológicos y geotécnicos, que ,también determinan el espesor requerido del revestimiento del propio túnel y solucionan la impermeabilización y los requerimientos de drenaje con la asesoría de un. hidrólogo de ser necesario. Debe considerarse también, para el dimensionamiento de la sección, el espesor suficiente para alojar el pavimento. 2.2

Cabe senalar, que los proyectos de iluminación de túneles deben ser realizados por ingenieros especialistas en iluminación, conocedores de las normas y criterios que sobre el particular existen. El control de la circulación dentro de los túneles muy largos o con tránsito intenso, resulta indispensable para el logro de una fluidez en la circulación que sea compatible con la demandé: máxima del tránsito, para evitar embotellamientos en caso de descomposturas o accidentes y para proporcionar seguridad y comodidad al usuario a través de un sistema de información adecuado. Otra función del control de la circulación, es la de reducir los gastos de la energía que requiere el funcionamiento de la ventilación.

Operación del túnel

Como ya fue expresado, se refiere al equipamiento del' propio tanel, necesario para ofrecer al usuario condiciones de seguridad y comodidad que le den confianza para transitar en un ambiente ajeno a su costumbre, con garantías de seguridad fisiológica y física. La contaminación, originada por los vehlculos en circulación que desprenden gases tóxicos como es el monóxido de carbono (CO) y humos de los vehículos diesel, requiere disminuirse por medio de inyección de aire fresco que diluya esos contaminantes para asegurar una pureza conveniente de la atmósfera dentro del túnel.

El control reviste varios aspectos que en los casos más complejos puede comprender: La integración de la información proveniente del túnel, como es la velocidad y la densidad, que procesada en compu-

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tivamente bajqs, el equipamiento del túnel puede corresponder al 28% del costo total.

tadora proporciona datos sobre la velocidad necesaria para mantener un nivel de servicio compatible con la demanda máxima del tránsito.

Los costos de operación representan un parámetro fundamental para la evaluación de este tipo de obras, ya que adicionalmente a los costos de conservación normales en una carretera, el túnel debe ser ventilado y continuamente iluminado y vigilado por el personal encargado de su operación, lo que hace que sus costos sean considerablemente mayores a los de las carreteras en la superficie.

La detección automática de las paradas o de las reduccione~ de velocidad. b

La vigilancia por televisión de todo el espacio disponible para la circulación. Un sistema de control automático de la ventilación.

Un enlace por radio entre el diverso personal que debe intervenir en cada caso.

En el mismo estudio de costos realizado en Inglaterra, al que ya me he referido, se indica que el valor presente, del flujo total de costos de operación y renovación del equipo del túnel, representa del 5% al10% de los costos de construcción de los túneles carreteros construidos en buen terreno y que ese porcentaje resulta considerablemente menor para túneles de elevados costos de construcción.

Un sistema eficaz de alarma. Un sistema eficiente de información a los usuarios en cuanto a senalamiento, altoparlantes y radio, con el fin de influir en su comportamiento. La individualización de los carriles a nivel de senalamiento.

Para terminar, permítanme hacer una reflexión:

Es evidente que un sistema como el descrito, resulta costoso desde el punto de vista de la instalación y de la conservación, por lo que debe preverse sólo en los túneles de importancia; en túneles cortos o de poco tránsito, est~s equipos deben limitarse y se recomienda realizar aforos para conocer la evoludón de los volúmenes de tránsito para prever la operación futura.

Considero que la solución túnel, es una alternativa que debe contemplarse con mayor frecuencia en los estudios previos de carreteras que manejarán volúmenes de tránsito más o menos elevados, para ello es necesario que los proyectistas tengan siempre en mente las ventajas operacionales que implica este tipo de obra, así como las relativas a los aspectos de ecología y ambiente.

Finalmente, para dar a ustedes una idea sobre los costos, mencionaré que un análisis de once túneles construidos en Inglaterra, a precios de 1970 en libras esterlinas y aplicando la paridad actual con nuestra moneda, arroja costos totales por metro lineal de túnel que varían de $700 000.00 a $1 200 000.00, correspondiendo al equipamiento del túnel, que incluye la planta de ventilación, edificios, instalaciones eléctricas, servicios y dispositivos auxiliares, inversiones del orden del 9 al12% de esas cifras. En aquellos casos en que los costos de excavación, recubrimiento y sello resultan rela-

Debe desecharse la idea del tabú y del misterio, así como el temor a emprender obras en las que la experiencia es casi nula. Existe una experiencia mexicana muy amplia en la construcción de túneles, pero no en el equipamiento de túneles carreteros, pensemos que la experiencia existente cubre, en términos gruesos, el85% del costó de la obra y para el15% restante, se cuenta con información y con el talento de nuestros ingenieros para resolver lo "no experimentado".

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TUNEL CARRETERO

L. Vieitez Utesa

1.

INTRODUCCION

de trabajo favorece el aprendizaje y promueve la eficiencia. Ello es válido, claro está, cuando el terreno excavado no ofrece grandes variaciones ni complicaciones y cuando la longitud del túnel es lo suficientemente grande para que se rebase el período de aprendizaje y se estable;zca un nivel de producción, de alto rendimiento, durante un lapso tal que compense los bajos avances propios de dicho período que coincide en general con las fases de comienzo y primeros progresos de la obra.

Deben entenderse las ventajas y desventajas como términos relativos. En este caso el análisis de unas y otras se realiza por comparación implícita o explícita con las que corresponden a la alternativa en superficie. Se han de manejar factores tangibles, cuantificables como son la inversión inicial, los costos de construcción, los de operación y los de mantenimiento, y factores intangibles como son el riesgo y la incertidumbre, los costos sociales, los costos de oportunidad y otros aspectos relacionados con características locales.

He aquí, pues, dos ventajas del túnel: Es una obra guarecida y es una obra cuya ejecución en gran medida puede y conviene "industrial izarse".

El presente artículo pretende comentar sobre algunos de estos factores, sin entrar en el detalle y sólo con el propósito de orientar las ideas que se tienen al respecto para buscar y despertar el interés por ahondar en este tema.

Dentro de este último término debe incluirse un grado relativamente alto de mecanización y un interés por reducir los tiempos muertos y las demoras.

Hay una serie de características propias del túnel que deben tenerse siempre presentes al considerar sus ventajas y desventajas.

2.

TUNELES VIARIOS O CARRETEROS

Para los diferentes tipos de túneles carreteros, se van a analizar sus posibles ventajas y desventajas, sin perder de vista las características antes comentadas,

Se trata de una obra lineal con un número de accesos limitado. Se trata de un espacio más bien reducido en el que transita y trabaja el personal y el equipo, apoyados por" recursos (aire, agua, energía, materiales) que se transportan a través del mismo túnel, a veces por grandes distancias, en tuberías, duetos, cables, y unidades diversas de acarreo.

.2.1

Túneles de puerto

Son los que se ubican a muy alta cota en carreteras de montana en las que con la pendiente gobernadora se han agotado las posibilidades de desarrollo exterior. Tienen la ventaja de ser túneles cortos, pero a costo muy probablemente de un desarrollo tortuoso y por consiguiente antieconómico de las vías. Son soluciones inadmisibles en carreteras de alta espe. cificación, con bajas pendientes y altos radios de curvatura.

Se trata de un lugar de trabajo encerrado en el que hay que ofrecer un mínimo de condicio'nes ambientales que garanticen la salud y la seguridad del personal que en él labora.

Por ser túneles de poca longitud, sé pueden atacar con equipo poco sofisticado. Por ejemplo, el mismo equipo de rezagar puede cargar, transportar y tirar a barrancas vecinas sin afectar seriamente el ciclo. La barrenación se haría con pistolas de pierna sobr~ tarangos o plataformas hechizas. La demanda de ventilación sería reducida. Los bajos rendimientos probablemente no pesarían en el programa general de la carretera. Ya en operación estos túneles no requieren en general ventilacióh y las necesidades de iluminación también son bajas.

No pueden utilizarse partes del túnel para los fines (vehiculares) propuestos hasta no haber concluido por completo la perforación y buena parte, sino la totalidad, del revestimiento definitivo. En cuanto a estas características que, comparadas con las de las obras a cielo abierto, cabría considerarlas desventajas, se puede anadir que en virtud de ellas el trabajo en túnel tiene ventajas sobre el trabajo exterior: Se trata de una obra guareCida de las inclemencias del tiempo, y por lo tanto, hábil, en todo momento y de tal manera dispuesta que obliga a guardar un orden y una sucesiÓn de actividades que, por repetitivas, se organizan en ciclos y "trenes" de trabajo con cierta semejanza a los de la industria de transformación. Esta forma seriada y cíclica

Como desventajas o inconvenientes pueden citarse, aparte del desarrollo para alcanzar sus bocas, que es reflejo también de su inaccesibilidad inicial, estas otras:

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crítica, como sucede cuando son de carácter especial y toman mayor tiempo en la ejecución que los tramos a cielo abierto, puede pesar en el costo además de los portales propiamente dichos, las obras de penetración y auxiliares necesarias para alcanzar y hacer accesibles dichos portales y las zonas aledanas de trabajo, con suficiente anticipación al resto de la carretera.

Al quedar localizado el túnel de puerto en la parte culminante de la montana, habrá de encontrar condiciones geológicas desfavorables, propias de las zonas de macizos rocosos próximos a la superficie: Efectos de intemperismo y alteración, diaclasas de tensión por liberación de esfuerzos, fenómenos de reptación de ladera, infiltraciones de agua, materiales de transición (saprolitos, regolitos). Estas o parecidas condiciones pueden encontrarse en los portales, de manera que requieran éstos de importantes trabajos de estabilización o afianzamiento, mismos que pesarán notablemente en la economía del conjunto. 2.2

Una ventaja adicional de los túneles de ladera se evidencia cuando las obras exteriores alternativas invaden propiedades cuya expropiación resulta cara o implica trámites engorrosos o costos sociales o políticos importantes.

Túneles de laderas 2.3

Tienen por finalidad mejorar el trazo de la carretera al permitir tramos más rectos y de pendiente más suave. Compiten con los cortes, tajos y tramos en balcón cuando éstos resultan de alturas superiores a los 20 m, o cuando la disposición geológica del terreno plantea problemas potenciales de inestabilidad durante las fases de construcción o de operación de la obra exterior que obligan a obras mayores de estabilización o afianzamiento.

Túneles de base

los túneles de base, llamados así para describir que su locali, zación es en la base de la montana, pueden en varios casos resultar más ventajosos que los de puerto o los de ladera a pesar de su mayor longitud. Estos -casos son: Cuando la geología en la base de la montana es considerablemente mejor que en las laderas o en la cumbre.

Para evitarlos problemas comunes en macizos rocosos próximos a la superficie, como los anotados en el inciso anterior, los túneles de ladera conviene alojarlos lo más hacia el interior de la montana que sea económicamente posible, según dicten las condiciones locales de sanidad y competencia de las rocas.

Cuando se acorta considerablemente el trazo y se mejora el perfil de manera que el tiempo y la economía de recorrido mejoran considerablemente la operación de toda la carretera. Cuando, a pesar de su longitud, introduce economía en la construcción total de la línea, al evitar obras de arte, viaductos, cortes y terraplenes en terreno difícil o accidentado, para dar especificaciones equivalentes de recorrido. ·

la solución de túneles de ladera es muy socorrida en carreteras de alta especificación en países montanosos (Austria, Suiza, Italia, Japón) en los que además interesa quedar en todo tiempo al abrigo de desprendimiento de rocas, de avalanchas o de tormentas de invierno.

la gran longitud de un túnel de base ahora si hace casi obligado el empleo de equipo especializado y la organización y operación de un tren de trabajo semindustriaL Si bien el costo de ejecución de accesos y portales pierde importancia en el costo total de la obra, su ubicación y su seguridad adquieren valor estratégico primordial porque de ellos y de sus instalaciones de apoyo aledanas depende una mayor y más importante longitud de obra. la ventilación, tanto durante la ejecución del túnel como durante su operación, pesa notablemente porque garantiza la continuidad de las mismas e incide en su eficiencia. Todas las estructuras auxiliares de ventilación para uno y otro propósito merecen la mayor atención. Bien localizadas e insertadas oportunamente en el programa conjunto pueden prestar no sólo el servicio para el que están destinadas sino otros complementarios. Piénsese, por ejemplo, en pozos de ventilación que puedan utiliarse durante la excavación como tiros de aire y como lumbreras de acceso intermedias.

Son túneles de cierta longitud pero en los que en muchos casos todavía puede pesar en la economía glo~al el costo de las obras en los portales. De ahi que en la medida que el trazo lo permite, la buena ubicación de éstos muchas veces resulta de primordial importancia.

A medida que la longitud es más importante más necesario es equipG sofisticado para cumplir con las condiciones de trabajo y con los programas de obra, equipo que será tanto más rentable cuanto pueda amortizarse en la obra, o en el conjunto de obras, por realizar. Cuando se tienen túneles de ladera contiguos o próximos hay oportunidad de obtener una mayor y mejor utilización del equipo. los túneles de ladera, por lo tanto, ofrecen ventajas geométricas que mejoran el trazo y perfil de la carretera; ventafas de seguridad al quedár al abrigo del exterior y evitar-costosas obras, en superficie, de retención y protección. Dichas ventajas serán aún más apreciadas si se consigue que el costo de los portales no incida notoriamente en la economía de la obra, y si las condiciones de vientos dominantes y gradientes de temperatura favorecen la ventilación natural.

la longitud de estos túneles obliga muchas veces, por razones de operación, a incluir en el proyecto, además de las estructuras de ventilación, otras obras auxiliares, como pueden ser túneles de servicio y bahías o remansos de seguridad; Tales estructuras pueden ser de mucha utilidad durante la construcción. Piénsese por ejemplo en el túnel de servicio como galería de reconocimiento adelantada al o los túneles principales que a la vez puede servir a la ventilación y drenaje, dar flexibilidad a las operaciones de construcción, como la rezaga, y permitir el acceso a las zonas difíciles que ameriten tra-

Es importante considerar en estas obras la incidencia que tienen en el programa general de la vía. Si caen en la ruta

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bajos de tratamiento especializado. Es conveniente advertir IÓ siguiente en cuanto a las galerías de reconocimiento: Por una parte habrá que buscar su oportunidad de ejecución dentro del programa general de obra y la justificación de su costo en el caso de que no estén asociadas a obras definitivas; por la otra, debe tenerse presente que su sección es notablemente menor que la de los túneles viarios, y que por consiguiente pueden iAfluir efectos de escala en la extrapolación de parámetros o de observaciones de las unas a los otros; además, experiencias adversas en la ejecución de .una galería de reconocimiento inducen a trasladar las soluciones dadas para salvarlas al túnel viario, cuando en éste pueden adoptarse soluciones más simples en los mismos tramós, habida cuenta de que se dispóne de información previa que. permite modificar los procedimientos y aplicar los cuidados necesarios con oportunidad.

Hasta aquí se ha hecho breve mención de algunos aspectos re.levantes de túneles carreteros· no urbanos, los cuales por lo general se excavan en roca. los suelos o material~s de transi-. ción, producto de alteración o intemperismo, se presentan más bien por excepción y casi siempre en los portales y en el entorno de fallas importantes. 2.4

Túneles urbanos

En túneles urbanos, por el contrario, el caso más frecuente es la excavación en suelos o en terrenos de transición. Su estudio puede hacerse exhaustivamente si se considera su poca profundidady su relativa accesibilidad. El túnel vial urbanotitme ventajas cuando desahoga la congestión de tráfico y cuando evita la interferencia total o parcial de la propiedad urbana, de las instalaciones municipales y de la actividad citadina. Dados los volúmenes detránsito que estos túneles deben mover, son necesariamentede gran sección, superior incluso a la del túnel de base, necesitan importantes instalaciones de ventilación y han de proporcionar una seguridad al usuario y al área vecina muy superior a la de un túnel vehicular no urbano. Excavados en roca sana, con suficiente techo, pueden ejecutarse en una sola sección; en suelos. y terrenos de transición, donde además de la estabilidad propia de la excavación hay que cuidar el evitar asentamientos en superficie, debe considerarse siempre la posibilidad de conducir el tránsito, en un sentido y en el otro, en túneles separados.

De lo antes expuesto se deduce que una de las desventajas o inconvenientes principales del túnel de base es la proporción de incertidumbre y riesgo que lleva implícita. Estas están en relación con la cobertura; con el número, espaciamiento y eventual profundidad de los accesos y con la complejidad y grado de precisión posible de la caracterización geológica y geotécnica. En ésta adquieren importancia mayor la definición de la naturaleza y estructura del terreno, la geometría y características de las discontinuidades y el conocimiento lo más aproximado posible de las condiciones del agua freática. Esta desventaja se obvia en gran medida con la galería de reconocimiento y demás obras que permitan alcanzar la profundidad del túnel con suficiente anticipación al ppso del mismo y en dimensiones que permitan hacer observaciones y pruebas en magnitudes capaces de ser extrapoladas a la obra definitiva. En este sentido amerita también analizar con todo cuidado las ventajas y d~sventajas globales que pueda tener el resolver la obra de base en dos túneles o en uno solo.

Un aspecto a ponderarse con la mayor atención es el de las rampas de acceso, cuya ubicación y características no deben provocar más que en mínima medida los problemas que el túnel pretende resolver. los procedimientos de ataque y soporte en estos casos difieren notablemente de los de los túneles no urbanos. Pero el valor de las inversiones iniciales, en muchos casos aparentemente elevadas, se compensan largamente en la operación, al preservar e incluso incrementar el valor de una propiedad urbana de por si apreciada.

En todo caso, los estudios previos de un túnel de base deberán encaminarse a precisar lo mejor posible las condiciones medias más frecuentes, que son las que normarán los procedimientos constructivos, y las condiciones extremas desfavorables que son las que en un momento dado puedan definir el programa por necesitar cambios radicalt;!s en los procedimientos, tratamientos especiales o grandes demoras.

2.5 .Túneles subacuáticos El túnel subacuático es la solución alternativa al puente. Su justificación comienza a ser evidente cuando el puente ha de dejar una alturalibre al nivel del agua de más de 30 a 50 m, que obliga a un largo desarrollo de accesos: Razón de más si estos mismos penetran en terrenos blandos de poca capacidad de soporte, o en propiedad urbana de elevado valor o en zona urbana donde se altere su aspecto y su ambiente.

los estudios previos, como es evidente en el caso de obras subterráneas de esta naturaleza, deberán complementarse con estudios durante la etapa de construcción, así como observaciones o mediciones del comportamiento que verifiquen o lleven a rectificar o ajustar las hipótesis de base del modelo de partida.

Siendo asimismo túneles de gran sección deben encontrar buenas condiciones de impermeabilidad y soporte del terreno en el que se alojan bajo el agua, y a relativa poca profundidad para evitar el desarrollo de largos accesos. De otra forma deberá considerarse la alternativa de túneles formados por cajones prefabricados sumergidos, que no interfieran con el calado necesario.

Cabe mencionar que al ser obligada la ventilación artificial en el túnel de base, su sección transversal es considerablemente mayor que la de un túnel de igual capacidad vehicular que disponga de ventilación natural suficiente. Para éste. pueden bastar 50 m2 mientras que para aquél se necesitarán alrededor de 90 m2. la galería o túnel de servicio tendrá una sección vecina a los 20m2. Para cada sección habrá una determinada planta de equipo que dará el mayor rendimiento. Estas diferencias necesarias del equipo deberán tenerse muy en cuenta al pretender extrapolar experiencias de una a otra sección.

En los túneles subacuáticos se complica notablemente la exploración previa. los accesos también pueden interferir con propiedad urbana valiosa aunque su trazo tiene más tolerancias de curvatura y pendie¡;1te que en el caso del puente.

13

go. Pueden manejarse incluso conceptos, como costos de oportunidad, que valoran las consecuencias de no optar por determinada alternativa o de diferirla en el tiempo.

Las instalaciones de ventilación, salvo excepciones, deben situarse en los extremos en tierra, lo que implica estructuras de considerable porte para alojar todos los equipos.

3.

Pero hay otro factor que interviene muchas veces con gran peso, ·este es el costo social. las ventajas o desventajas que aguí s~ han comentado y otras más q1.1e p.ueden surgir en ca- . sos ya específicos pueden tener un valor muy diferente, más allá del estrictamente técnico, cuando se consideran én el marco de efectos sociales. Así por ejemplo, la expropiación de terrenos ejidales, puede inclinar a decidir construir el tramo en túnel, aún cuando los. riesgos Inherentes hayan dado preferencia técnic'a a la solución superficial.

EVALUACION

A final de cuentas-la consideración de las drferentes aTterna~ tivas viales tiene que sujetarse a una cierta ponderación, a una evaluación que lleve a decidir por una u otra. Hay fórmulas que incluyen la inversión inicial, los desarrollos verticales y horizontales equivalentes, los costos de construcción y los costos de operación y mantenimiento. En los costos de operación interviene principalmente el consumo de energía y el de tiempo. Intervienen también parámetros financieros que estiman la recuperación de la inversión y la cobertura de los costos de operación y mantenimiento.

'una carretera de ladera, panorámica, puede tener efectos turísticos que la hagan finalmente preferible al túnel, aún cuando sus costos de mantenimiento hagan que el costo global de ella sea superior al de éste.

Tales fórmulas ayudan a ponderar los factores en cierto modo medibles, pero hay otros, como al principio se dijo, que inciden también en la calificación de la utilidad de la obra. Algo pueden ayudar la teoría de la confiabilidad y la de toma de decisiones bajo condiciones de incertidumbre y ries-

La obligación principal del ingeniero proyectista es perfec. cionar los m~todos de evaluación de los pros y contras estrictamente técnicos. Reuniones como la presente deben coadyuvar a ello.

14

METODOS PARA EL DISEI\JO DE TUNELES

J.

1.

OROZCO Y OROZCO

INTRODUCCION

El problema que se afronta con este método es la contratación de la obra, pues el proyecto varía a lo largo del período de construcción.

El diseno de túneles puede efectuarse de acuerdo con cualquiera de los tres enfoques siguientes:

1.3 El enfoque empírico se basa en la experiencia adquirida en obras similares. Para un manejo más eficiente se requiere de un sistema de clasificación, en base al cual SEtpodrá extrapolar la experiencia y aplicarla mediante un jÚicio sano al nuevo caso.

Analítico. Observacional. Empírico.

De esta manera, los sistemas de clasificación de macizos rocosos constituyen la espina dorsal del enfoque empírico y han sido ampliamente usados en todo el mundo. El sistema de clasificación de rocas más usado hoy en día, a pesar de que cuenta con más de 30 anos de.haber sido propuesto, es el de Terzaghi.

1.1 E1enfoque analítico es el menos usado, no por las técnicas analíticas mismas, de las cuales destacan: Método del elemento finito. Soluciones matemáticas cerradas. Fotoelasticidad y otras técniéas de simulación. Sino por la dificultad, siempre presente, para alimentarlas con parámetros que realmente representen las condiciones del macizo.

2.

SISTEMAS DE CLASIFICACION EN LA INGENIERIA DE ROCAS

2.1

Aspectos generales

En el estado actual de conocimientos, la tecnología de túneles puede resumirse en las palabras siguientes:

Estas técnicas analíticas son muy útiles para determinar la influencia relativa de los diversos parámetros que intervienen y para comparar las distintas soluciones posibles.

"La predicción del sistema de soporte requerido para túneles·, se ha basado por muchos anos en la observación, la experiencia y el juicio personal de aquéllos involucra-' dos en la construcción de túneles. A pesar de la aún poco probable introducción de técniéas geomecánicas para la exploración de sitios, la predicción de los requerimientos de soporte en el futuro requerirá del mismo enfoque" (Wickham, Tiedemann y Skinner.)

Son, sin duda, los métodos del futuro, a pesar de que hoy día aún no son aceptables como medios de diseno en la ingeniería práctica.

1.2 El enfoque observacional, cuyo exponente más destacado es el nuevo Método Austriaco de Tuneleo, se basa en la medición del comportamiento d_el túnel según se construye, para modificar el sistema de soporte según se requiera:

Por lo tanto, un sistema de clasificación de macizos rocosos,· que permita combinar los hechos observados, la experiencia y el criterio ingenieril, para proveer una valoración cuantitativa de las condiciones de la roca, se constituirá en la espina dorsal para la predicción del sistema de soporte.

Este enfoque se basa en la premisa siguiente: "Un sistema de soporte flexible para un túnel, siempre es preferible a un soporte rígido."

2.1.1 En la práctica, lo anterior se logra mediante la colocación de anclas y concreto lanzado, para evitar un aflojamiento excesivo, a la vez que se permite la suficiente deformación como para que se desarrolle el efecto de arqueo y autosustentación de la roca, mediante la redistribución de esfuerzos.

Propósitos de un sistema de clasificación de rocas Dividir el macizo rocoso en grupos de comportamiento similar. Proporcionar las bases para la comprensión de las características de cada grupo.

15

-

Wickham, et. al. fué primero en proporcionar un método de calificación para dar peso relativo a los diversos parámetros de clasificación.

Facilitar la planeación y el diseno de las excavaciones en roca, suministrando la información cuantitativa que se requiere para la solución de los problemas ingenieriles. ·

la Clasificación Geomecánica, propuesta por Bieniawski y el Sistema Q, propuesto por Barton, Líen y Lunde, proporcionan información cuantitativa para seleccionar sistemas de soporte modernos, tales' como concreto lanzado y anclas.

Establecer -una base común para la comunicación efec- . tiva entre todas las personas involuéradas en el proyecto y construcción de un túnel.

2.1.2

El sistema Q fue desarrollado para túneles, al igual que la Clasificación Geomecánica, aunque esta última ha sido aplicada a taludes de roca y cimentaciones, a la determinación de la "arabilidad" de los terrenos y a problemas de minas.

Atributos de un sistema de clasificación de rocas

Los propósitos atrás descritos podrán alcanzarse si el sistema de clasificación posée los siguientes atributos. Simple, fácil de recordar y entender. Claro en cada uno de sus términos, terminología ampliamente aceptada.

2.1.4 con

una

los sistemas de clasificación descritos dan lineamientos para la selección del soporte primario (o soporte temporal). Este siempre se coloca muy próximo al frente de avance y generalmente lo componen anclas, concreto lanzado y marcos de

Que incluya únicamente las propiedades de los macizos rocosos más significativas.

ac~ro.

Basado en parámetros medibles, que puedan ser determinados mediante pruebas apropiadas, rápida y económicamente en el campo.

la función del soporte primario es mantener abierta la excavación hasta que pueda colocarse el soporte difinitivo, generalmente integrado por un recubrimiento grueso de concreto hidráulico.

Basado en un sistema de calificación que pueda-pesar la importancia relativa de los parámetros. de clasificación. Que sea funcional mediante el suministro de información cuantitativa para el diseno del soporte del túnel.

Debe recordarse que probablemente el soporte prim·ario sea capaz de resistir todas las acciones actuantes en el túnel y, puesto que los materiales con los que actualmente se construye no se deterioran, para túneles carreteros y ferroviarios un revestimiento de concreto puede no servir más que como cosmético, para satisfacer la necesidad sicológica de seguridad de los usuarios.

Que sea lo suficientemente general como para que un macizo rocoso posea la misma clasificación, independientemente de que vaya a ser usada para un túnel, un talud o una cimentación. 2.1.3

Campo de aplicación de los sistemas de clasificación

Sistemas de clasificación de rocas más conocidos Terzaghi.

(1946)

Lauffer.

(1958)

Deere.

(1964)

2.2

En la Fig. 1 se presentan esquemáticamente los datos de entrada y la informaciól) para diseno obtenible de este método.

Wickham, Tiedemann y Skinner. Bieniawski.

(1972) En la Tabla 1 se presenta una traducción libre del "Sistema de Clasificación de Cargas de Roca para Túneles Soportados por Marcos de Acero" originalmente propuesta por Terzaghi.

(1973)

Barton, Líen y lunde.

Método de la carga de roca de Terzaghi (Terzaghi, 1946)

(1974)

En la Tabla 11 se presenta el sistema de Terzaghi, pero ligeramente modificado y en él se han introducido sendas escalas para el espaciamiento entre fracturas y el RQD, que complementan la descripción cualitativa original.

El sistema de "Carga de Roca", propuesto por Terzaghi ha probado ser muy útil en la construcción de túneles con marcos de acero.

\

El mérito de Terzaghi estriba en haber propuesto, hace más de 30 anos, un método de estimación de cargas en túneles soportados por marcos de acero; el método más usado durante los últimos 50 anos; sin embargo, este método ya no es tan ~ adecuado para sistemas modernos de soporte, como anclas y concreto lanzado.

El sistema de clasificación de Lauffer representó un gran adelanto en el arte del tuneleo, al introducir el concepto de "tiempo de sustentación" para el claro activo en un túnel, concepto fundamental para determinar el tipo y densidad del soporte requerido.

También, se considera actualmente que el método de Terzaghi es demasiado general como para permitir una evaluación objetiva de la calidad de la roca y que no provée información cuantitativa acerca de las propiedades de las masas rocosas.~

Deere introdujo el concepto "lndice de Calidad de la Roca" (R Q D) que es un método simple y práctico para describir la calidad de los corazones de roca obtenidos de perforaciones.

16

Tabla l.

Clasificación por carga de roca para túneles soportados con marcos de acero según Tarzaghi. (Carga de roca Hp en pies (espesor) de roca sobre el techo del soporte en un túnel de ancho B en m (pies) y altura 1:1 1 en m (pies) a una profundidad de más de 1.5 (B + H1), •

Carga de Roca

Condición de la Roca

Comentarios

HP 1. Dura e intacta

Cero

Se requerirá revestimiento ligero sólo si hay desgajamiento ó desorendimiento de material.

2. Fuertemente estratif.icada ó esquistosa**

Oa0.5 8

3. Masiva, ligeramente fracturada.

O a 0.258

Soporte ligero, principalmente para protección contra caídas. La carga puede cambiar erráticamente de un punto a otro.

4. Ligeramente fracturada formando algunos bloques. 5. Muy fracturada formando muchos bloques. 6. Comptetamente fracturada pero químicamente intacta.

0.258 a 035(8

+

H1)

No hay presión lateral.

(0.35 a 1.10X8

+

H1)

Pequena o nula prtsión lateral.

1.10 (8

+

'

H1)

Presión lateral considerable. Si hay efectos de ablandamiento, debidos a infiltraciones c~rcanas a la parte inferior del túnel. se requer.irán soportes continuos para las partes inferiores de los marcos, o bien marcos circulares.

'

7. Se extruye bajo carga a poca profundidad.

(1.10 a 2.10)(8

+

H1)

Presión lateral muy alta, se requieren puntales inverti-

8. Se extruye bajo carga· a gtan

(2.10 a 4.50)(8

+

H1)

dos. Se recomiendan marcos circulares.

profundidad.

Hasta 76.20m (250 pies), · sin importar el valor de(8 + H1)

9. Roca ·expansiva.

Se requerirán marcos circulares. En casos extremos se usarán soportes flexibles (yielding support).

-Se. supone que el techo del túnel está localizado por debajo del nivel freático. Si está localizado permanentemente ,por arriba. del nivel freático. Los valores dados para los incisos 4 a 6 se podrán reducir en un cincuenta por ciento. Algunas de las formaciones rocosa; más comunes contienen capas de esquistos. En un estado no intemperizado, los esquistos no son peores que __ otras rocas estratificadas. Sin embargo, el término esquisto sé aplica frecuentemente a sedimentos de arcilla fuertemente compactados que aún no adquieren las propiedades de la roca. Dicho esquisto se.comportará en un túnel, como una roca que se extruye bajo carga o hasta como una roca expansiva. Si una formación rocosa esta formada por una secuencia de estratos horizontales de areniscas o calizas y de forMaciones esquistosas, que no alcanzan aún el grado de roca, la excavación del túnef está comúnmente asociada con una compresión gradual de la roca en ambos lados del túnel, involu erando esto un movimiento descendente. del techo. Además, la relativa baja resistencia contra el derrumbe a los lados del.túnel, entre ~os ya menciona i dos esquistos y hí roca, es probable que reduzcan muy considerablemente la capacidad de la roca localizada por encima del techo que sirve de puente. Por lo tanto, en dichas formaci el e o uede ser tan ande o ura a en bloques.

METODO DETERZAGHI

DATOS DE ENTRADA

~~~ ~ION

;

DISCONTINUIDAIES. GRADO DE ' ALTERACION NIVEL FREATICO.

INFORMACION DE SALIDA

CLASIFICAOON DE CARGAS DE ROCA . . CARGA DE ROCA PARA TUNELES COMENTARIOS SOBRE Tlftl · DE· ADEME · . SOPORTADOS CON RECOMENDABLE. MARCOS DE ACERO. COMENTARIOS SOBRE TERZAGHI.

G

ANCHO B ALTURA H,

=

194&

TABLA t

• Triturada; pero qu~ mlcamente Intacta' --2I.ICB+Htl ejemplo: • 'r= 2.34tontm2 • NAF bajo rasante·

'

1

LA CARGA DE ROCA LATERAL ..

• carga de roc:a-27.94 • ton/m'! Presklnlateralmuy lmportanJe.

• B =10m H1 =10m

Fjg. 1

Esquema del método de carga de roca de Terzaghi

17

Tabla 11.

Cargas de roca y clasificación

~ ~

o "' ..2.Ó e: ... QJ

a

·- u E n:s

-~..::

u n:J "' n:J

~

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Q.

Q

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o.- 2' QJ ~ -o

·o

o

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0.25 B

0.5 B 0.25 B a

o

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o.Js e

o a o.6 e

o.s4

7. Grava y arena

a

~

e

1.2 e 0.94(

a 1.2C

>tl.l .... e: QJ e: ... QJ

QJ

...~

u

e

o.62 e a 1.38 e 1.os e 1.38 e 1.1 e a 2.1 e 2.1C a

8. Se extruye bajo carga Poca profundidad QJ ....

o.3s e a 1.1C 1.1

2. 1"

e:

... Qj

n:J

._

n:J . ~ 00

QJ

-

2"

O...J

q¡iO:o-= ....... ·e: E e:

o

-

•·

u o.

~ ~

....

n:J

o

:-

3.. Masiva, moderadamente agrietada 4 Moder~damente fracturada formando algunos bloques. 75 5. Muy fracturada y muy 50 agrietada formando muchos bloques 25 tritu10 6. Completamente rada

6"

.&

·xQJU•I"OO ~ -z .o

90

-

Observaciones

V)

-

2ó

-

o

1. Dura e intacta

95 2. Dura, estratificada ó esquistosa

f.-

2

Final

~

5

5

t\

Inicial

O'

Q. ......

"' Li.l

1o

Carga de roca

~

.... n:J

9. Se extruye bajo carga. Gran profundidad

4

tl.l1;ín:s:::l u QJ

E-¡¡; e:

._ •O QJ QJ ·- "'O

"'O

Revestimiento solo si hay caídas o proyección de material Se presentan caídas Presión lateral si hay estratos inclinados, algunos caídos

tl.l

.... tl.I~::JQJ c:q¡C:

l.:l o. o. E

Pequeña o nula Presión lateral Presión lateral considerable. Si hay infiltraciones usar soporte continuo Densa Presión lateral Ph 0.3c5(0.5 H 1 + HP) Suelto

=

Presión lateral muy alta. Se requerirá soporte continuo

o;('

:E-g o u ~

hasta 250 pies

10. Expansiva

Notas:

Usar soporte circular. En casos extremos usar soportes flexibles

Para rocas, clases 4, 5, 6 y 7, cuando se encuentran arriba del nivel freático, reducir cargas en un 50% 2. Para arenas (7) H~ m in, para pequenos movimientos ( -0.01 e a 0.02 e) Hp máx para grandes movi· mientas a lo ancno ( -0.15 e). 3. B es el ancho del túnel, e B + H1 ancho + altura del túnel (en pies) Para túneles circulares, e 2B 2H1 4. t. = densidad del medio, lbs/ft3

1.

= =

=

=

18

· 2.3

Clasificación de Lauffer (Lauffer, 1958)

Orientación del eje del túnel respecto a la estratificación o a la dirección de la familia principal de discontinuidades.

La clasificación propuesta por Lauffer en 1958 está basada en un trabajo de Stini referente a la geología de túneles (Stini, 1950). A Stini se le reconoce como el padre de la "Escuela Austriaca" de Tuneleo y Mecánica de Rocas.

Geometría de la Sección Transversal. Método de Excavación.

Stíní enfatizó la importancia de las discontinuidades en los macizos rocosos y propuso que el tiempo de sustentación para cualquier claro libre activo, en relación de las diversas categorías de los macizos de roca, es el mostrado en la Fig. 2.

Método de Soporte. Este sistema de clasificación ya no se utiliza, pues ha sido modificado por varios ingenieros austriacos, como Rabcewiez, Gosler y Pacher (Pacher; Rabcewicz y Gosler, 1974).

El claro libre activo es el ancho del túnel o la distancia entre el frente y el ademe, si éste es menor.

2.4

El tiempo de sustentación es el lapso durante el cual un túnel se sostendrá sin ademe a partir del momento de la excavación.

lndice de calidad de la roca (RQD) de Deere

Una de las desventajas serias de los dos métodos mencionados anteriormente es la dificultad para clasificar un cierto macizo rocoso, así como la sensibilidad de los resultados obtenidos, respecto a dicha-300 KPa

200-300 KPa 150-200 KPa

100-150 KPa 45°

40°-45°

111 1 semana

1

35°-40°

30°-35°

200

>13

Esfuerzos medianos

200 a 10

1.0

13 a 0.66

~sfuerzos grandes estructura bien interco-

nectada

10 a 5

0.66 a 0.33

0.5 a 2

Ocurrencia leve de estallidos en roca masiva (mild rock bursts)

5 a 2.5

0.33 a 0.16

5 a 10

Ocurrencia importante de estallidos en roca masiva (heavy rocks bursts)

10,

Tabla X Sistema- Q: Medidas del soporte de macizos rocosos de "excepcional" "extremadamente buena", "muy buena" y "buena" calidad · (Rango de Q: 1 OOQ-1 O)

Categoría del soporte

Q

p kg/cm2

Factores condicionales RQD/Jn Jr/Jn

Claro/ ESR(m) (aprox.)

Claro/ ESR(m)

Tipo de soporte

1* 2* 3* 4*

1 OOQ-400 1 OOD-400 1 OOQ-400 1 OOQ-400

0.01 0.01 0.01 0.01

20.40 3Q-60 46-80 65-100

sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg)

5* 6* 7* 8* 9

400.100 40Q-100 400-100 400.100 100.40

0.05 0.05 0.05 0.05 0.25

12-30 19-45 30-65 48-88 8.5-19

0.25

14-30

0.25

23-48

0.25

40.72

0.5

5-14

0.5

9-23

10 :S 10

0.5

15-40

>

0.5

30.65

sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg) sb(utg) B(utg) 2.5-3m B(utg) 2-3 m B(utg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 2-3m B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 2-3m B(tg) 1.5-2 m +el m sb(utg) B(utg) 1.5-2m B(utg) 1.5-2m B(utg) 1.5-2m +S 2-3 cm B(tg) 1.5-2m. +el m B(tg) 1.5-2m + S(mr) 5.-10 cm B(utg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m +S (mr) 5-10 cm B(tg) 1.5-2 m+ el m B(tg) 1.5-2 m + S(mr) 1Q-15 cm

~

20

< 20 10

100-40

~

30

< 30 11*

100.40

~

30

< 30 12*

100.40

~

30

< 30 13

40.10

~

14

40.10

15

4Q-10

16*

4Q-10

~

1.5

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10 10 10 10

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10

~

< 10

~

~

< 1.5 ~

1.5

< 1.5 15 15

< 15

>

15

:S 15

* Estimaciones de los soportes hechas por los autores. El número de casos disponibles para estimar en forma confiable los requerimientos de soporte es insuficiente. El tipo de ,soporte que se usará en las categorías 1 a 8 dependerá de la técnica de voladura que se use. Medi¡mte voladura suave en las paredes y barren ación cuidadosa se puede prescindir del soporte. Si se utiliza voladura áspera en las paredes· puede resultar necesaria una simple aplicación de concreto lan_zado, especialmente en donde la' altura de la excavación sea > 25 m. El registro futuro de los casos deberá diferenciar las categorías 1 a 8. Claves: sb =colocaCión de anclaje; Y = bulonando sistemático; (utg)= no tensada con inyección de lechada; (tg)= tensada (puntas expansivas para macizos de roca sanas, inyección de lechada y postensado en macizos rocosos de muy pobre calidad); ver nota XI); S= concreto lanzado; (mr) + malla de refuerzo; clm = malla de eslabones de cadena; CCA =moldes de arcos de concreto; (Sr)= acero reforzado. La separación del anclaje está dado en metros (m). E1espesor del concreto lanzado o de los arcos de concreto está dado en centímetros (cm).

34

POBRE

EXC. BUENO

EXT. BUENO

MUY BUENO

BUENO

REGULAR

POBRE

·"'

:::11!100

.....

!50

~ 40

B

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10

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10

20

40

lOO

200

400

1000

CALIDAD DEL MICIZO ROCOSO, a

~

4

w

40

Sistema Q: Claro sin soporte 'vs. calidad del macizo rocosa (después de Barton).

50 AIIOS 10 AIIOS

e;; Q:

~

1 AÑO

!i! 1&.1

\

6;\rl

1 MES

1&.1~

1 SEMANA

2z Cl)

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5

1 OlA

~ ~

:E

m

1 HORA

1&.1

¡::

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO , a NOTA: lAS ENVOLVENTES REPRESENTAN UN INTENTO PRELIMINAR DE PREDECIR CUAN10 DISMINUYE EL TIEMPO DE SUSTENTACION DEl TUNEL CUANDO EL ClARO ~ LA EXCAVACION SIN SOPORTE ES INCREMENTADO MAS ALLA· DEl MAXIMO CLARO DE DISEAO

Fig. 11

400

b. LIMITES DE DISEÑO SUGERIDOS PARA LOS VARIOS TIPOS DE EXCAVACIONES LDS VALORES DE ESR. MAYORES QUE 1·6 SE APLICAN A EXCAVACIONES TEMPORALES, PARA LAS CUALES SE ACEP • TARAN REQUERIMIENTOS MENOS RIGIDOS, EN LO QUE SE REFIERE A TIEMPOS DE SUSTENTACION DE LA ESTRUCTURA. SE REQUERIRA DE SOPORTE SI SON EXCAVADOS CLAROS • • MAYORES QUE LOS DADOS POR LOS LIMITES DE DISEAO.

HECHAS POR El HOMBRE QUE APARECEN EN lA'liTERATURA. LOS CUADROS REPRESENTAN ALGUNAS ABERTURAS NATURA . lES EN CARLSBAD, NUEVO MEXICO. LA CURVA ENVOlVENTE ES UNA ESTIMACION DEL MAXlMO • CLARO DE DISEflO PARA EXCAVACIONES PERMANENTES SIN NINGUN SOPORTE HECHO POR EL HOMBRE .

~

~

CALIDAD DEL MACIZO ROCO~, a

o. LOS CIRCULDS REPRESENTAN LAS EXCAVACIONES SIN SOPmTE

Fig. 10

2

Sistema Q: Tiempo de sustentación vs. calidad de maciso rocoso.

35

tooo

EXTREMADAMENTE POBRE

'"e

MUY POBRE

POBRE

BUENO

·MUY BUENO

EXT. BUEN D

lO

~

l.ll ~

...

Ul

0:

oa.. o

U)

Ul Q

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Ul

0:

a.. O.l : LOS PUNTOS TRAZADOS SE REFIEREN AL REGISTRO DE LOS CASOS QUE DESCRIBEN LA MEDICIDN Y EL DISEflO DE LAS PRESIO.NES ~~-4-4-+-J-H-HI---f-i DE SOPORTE DEL TECHO(DESPUES DE BARTON Y OTROS_ 1

0.01 0.001

0.01

1

CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO fig. 12

10

100

1000

* RQD : INDICE DE CALIDAD lE LA ROCA Q =(RJ~D}a(J;)•(~•) ** SRF: FAC'ItlR lE REWCCION !EL ESFUER2D

Sistema Q: Presión de soporte vs. calidad del macizo rocoso.

36

'.

ESTUDIOS GEOLOGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCION DE TUNELES CARRETEROS

.J.L. Rosas RESUMEN El presente trabájo pretende hacer resaltar la importacia de los estudios geológicos que se deben realizar en el proyecto de un túnel carretero; ya que son determinantes para la localización, diseño y construcción de la obra. · En primer lugar, se mencionan brevemente las etapas que debe de seguir un estudio geológico y los alcances de cada una. Se comentan los.métodos exploratorios comúnmente utilizados, y la forma en que debe presentarse la información de los estudios para su análisis. .

-.

.

.

Posteriormente, se analizan con 111ayor detalle las características geológicas de mayor importancia para la construcción y diseño de los túneles; como son la litología y estratigrafía, las discontinuidades, el estado de alteración, las condiciones hidrogeológicas, los fenómenos de geodinámica externa y los esfuerzos internos. Las discontinuidades se tratan con más énfasis, por ser de suma importancia en la estabilidad y seguridad de la obra. Se analizan la estratificación, las fracturas y diaclasas; y ias fallas; asimismo se mencionan todas las características que deben desc;:ribirse de las discontinuidades y la importancia de cada una. Por último, se mencionan los grados de confi.abilidad con la que pueden proyectarse los ragos geológicos superficiales a profundidad. 1

1.

INTRODUCCION

3a.

Comprende investigaciones adicionales, especiales o más detalladas, una vez que se ha elegido el trazo definitivó del túnel, cuyos datos habrán de ayudar al diseno final, a la estimación de costos del túnel y a la previsión de futuros problemas geológicos.

Un e~tudio geológico, debe prestar una atención especial a todos los rasgos geológicos que puedan influir en la localización, diseño y construcción del itúnel. Estos aspectos serán tratados con detalle en el siguiente tema. · Por lo general, ljnestudio geológico previo a la construcción y diseño de un túnel se efectúa en tres etapas: 1a.

Durante la construcción y operación'~del túnel se deben continuar los estudios geológicos, con la finalidad de verificar los estudios anteriores, de preveer problemas futuros y de .auxiliar a un mejor diseño del revestimiento.

Estudios preliminares

En esta etapa se realiza la recopilación y análisis de la información existente, y un reconocimiento preliminar del área de interés. En esta fase se pretende conocer el ambiente geológico-geotecnico general para planear y fundamentar las investigaciones subsecuentes. 2a.

Estudios especiales

',··

La información obtenida por la exploración ge,ológica se presenta para su análisis en forma individual e integral, para lo cual deben elaborarse:

Estudios de detalle

La segunda etapa es la más completa, puesto que está enfocada a determinar la factibilidad de un trazo en particular. En fase se consideran las diversas alternativ.as del trazo del túnel, basándose en la comparación de las condiciones geológicas y geotécnicas obtenidas con las exploracionés dentro de la ubicación general de la ruta.

Mapa geotécnicos. Perfiles geotécnicos individuales. Sondeo Socavón Pozo a cielo abierto Geofísico .

__ Para desarrollar los estudios de esta etapa es necesario auxi" liarse de diversos métodos de exploración; los cuales se, muestran ·en el cuadro de la figura 1.

Perfiles geotécnicos integrados o Sección geotécnica. Perfil de problemas geotécnicos específicos.

37

METOVO VE EXPLORACZON VETALLAVA

--

1

-

. '6'n de.t Subúle.lo " Z-nve~.t.Lgac.~-

1

1

METODOS,DIRECTOS

1

Fot·ointerpret_! ción Geológica.

1.

Levantamiento de

Perforaciones

Excavac1ones

1

METODOS INDIRECTOS

Métodos

Eléctrico Piloto

Refracción

Diversos métodos de exploración.

-

CARACTERISTICAS CEOLOCICAS DE LA LOCALIZACION, DISEf:IO Y CONSTRUCCION DEL TUNEL CARRETERO

tes y así conocer el origen, es-pesor, distribución y posición cronológica en la secuencia de las diversas unidades. E1conocimiento de la litología y estratigrafía es de suma importancia para saber, entre otras cosas, qu~ .tipos de rocas se encontrarán d-entro del túnel, qué problemas pueden causar durante la construcción ycon qué confiabilidad se pueden proyeCtar los datos de súperficie: ·· . ·

En este capítulo se hará una descripción de los rasgos geológicos más importantes para la localización, diseño y construcción de un túnel carretero. Se analizarán la litología y estratigrafía; las discontinuidades (estratificación, fracturas y fallas; así como la forma de describirlas); el estado de alteración de las rocas; los problemas relacionados con .el agua; la influencia de alteración de_ las rocas; los problemas relacionados con el agua; la influencia de los factores de geodinámica externa y de los esfuerzos internos. 2.1

litología y estratigrafía

Sl.smico de

Abierto

Fig. 1

:l.

eofísicos

Campo

2.2

Discontinuidades ..

El término discontinuidad se usa en Mecánica de Rocas, en . un sentido general, para designar cualquier interrupci9n física de la continuidad del macizo rocoso, e_ incluye todos los tipos de fracturas, planos de estratificación, fallas, planos de foliación y de esquistosidad, así com9 contactos litológicos.

0

Son importantes ya queform~n los principales planos potenciaÍes de deslizamiento, tanto de bloques aisfados, como de macizos rocosos.

Al hablar de la litología de una roca se hace referencia a su mineralogía, textura y su medio ambiente de depósito (fábrica), así como a algún nombre o término descriptivo de un sistema de clasificación reconocido, por ejemplo, cali;:a oolítica; pero este nombre y clasificación son únicamente gt>ológicos.

1

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A continuación, se analizarán con detalle la estratificación, fracturas y fallas, por ser las de mayor importancia.

Los terminas litológicos son útiles en la geotecnia de túneles, ya que su empleo es una relación entre la textura, fábrica y anisotropia estructural de las rocas de un determinado origen. Por ejemplo, una roca ígnea tiene una estructura densa con muy pequeñas diferencias en sus propiedades mecánicas (con sus excepciones); mientras que algunas rocas sedimentarias y metamórficas muestran una anisotropia considerable. Otra ventaja del nombre geológico, es la asociación que puede hacerse entre ciertos tipos de roca y otras características "in situ" qrie pueden presentarse. Por ejemplo, la presencia de caliza o yeso inclina a buscar fenómenos de disolución; el basalto indica la posible presencia de diaclasas. Sin embargo, en ocasiones el nombre geológico es insuficiente si no se complementa con otras características físicas co/ mo es una clasificación de tipo mecánico. . La estratigrafía, por su parte, permite establecer una relación entre las distintas unidades litológicas o formaciones presen-

Fig. 2

38

Influencia de la estratificación en el revestimiento de un túnel (Krinine, 1957).

EstratificaCión la posición relativadel futuro tún~l eón respecto a losplanos de la estratificación, .principalmente en> terrenos seqi- · mentarios, es importante desde varios puntos de v'ista: · .

2.i1

lapresión total sobre• el revestimiento de un túnel y la forma como se distribuye a IÓ largo de él, dependen primer lu~ gar, de la estratificación de la roca. los cuadros de la figura 2 muestran la ·influencia de esta discontinuidad: · ··

en

Existen dos posiciones extremas de la dirección de túneles en relación a la orientación de la estratifi~ación; y, entre ellas;·· hay numerosas posiciones intermedias.

o)

1. ' Túneles en dire~ción: Su eje longitudinal coincide con la dirección de los estratos (Fig. 3a). lo cuál es aconsejable si • la formación atravezada presenta buenas características. 2.

1

Túneles atravezando estratos: El túnel es llevado perpendicular u oblicuo a la dirección de las capas (Fig. 3b), lo cual-origina el irse enton~rando varios tipos de rocas con diferentes propiedades e inclinaciones, esto puede ocasionar problemas de est~bilidad o permeabilidad.

la )nclinación.de Jos estratos con respecto al túnel es también de importancia, por lo siguiente: Silos estratos son verticales, y se construye un túnel perpendicular al rumbo, cada estrato puede actuar como una viga dando mayor estabilidad (Fig. 4a); con la des· ventaja de que puede filtrarse mucha agua de la superficie o por su posición la efectividad de los explosivos es menor. En el caso de que el tune! sea paralelo al rumbo de los estratos verticales (Fig. 4b), la masa de roca del túnel se ..sostiene por lafric_ción. a lo largo. deJos .planos. En estos casos el límite superior de caídas de·roca,, de acuerdo ·

Inclinación de los estratos con respecto al túnel: a) Túnel perpendicular al rumbo de capas verticales; b) Túnel paralelo al rumbo de capas verticales.

_., -:.,· -77$_ ,: ·.·~·~-. ~;:·~· >0~'-f ·--"·---···+·,~~,\~•:!>.·.-··' ~-;::.L.'·"~·. ·. y::x-;:;c-~::z;:J?:~.~~::¡:.;:·:;~~~~n~e'"..>:;

a Fig. 3

b

-. ·

< desfovora!l:• .

favorable

e

>

Posiciones extremas de la dirección del túnel eri relación a la orientación de la estratificación: a) Túnel paralelo ~1 rumbo de las cap~s. b) y e) Túneles perpendiculares al rombo. · ·

Túnel

fig. 5 Túnel atravezandó capas inclinadas.

'39

Caso N

--

-~~~~~~~a~~---

Influencia de la orientanon de la Pstratificación Pn la estabilidad de las obras subtPrránPas (C.~J. 1979)

Tabla l.

_ _ _.;__ _ _ _ _ _-f ·-~-- ------· -+----,...,:-:-:-:-~:-:---:-:-:-:----.-------.---,--......:....---------4 O-< ()( ( 20'. Las paredes late:ales se com· o•(O( ( , Los bloques caldos 1 70' ya que es dit!cil detectar los bloques sueltos de los extremos de los estratos durante la excavación.

O(~ (io•. La

condición ~e estabilidad es tan la-1

· vorable corilo cuando

13 = oo•

,Y

20&

ery el macizo rocoso ....

·'Muy baja

200

cm

a

200

cm

Baja

20

a

60

cm

Media

de

6

a

20

cm

Alta

<

6

cm

Muy alta

Descripción de las características de las discontinuidades

Como se vió en los capítulos anteriores, las discontinuidades son de suma importancia para la estabilidad del túnel, por lo que se analizaron sus características y la forma de describirlas de una manera completa. a)

Densidad de las discontinuidades (ID)

/

Se refiere a la cantidad o frecuencia de discontinuidades que afectan al macizo rocoso. Para su medición se emplea como índice básico, el intervalo entre discontinuidades (ID) y se describen según los ragos de la Tabla 11. b)

al

Orientación e inclinación

a)

La orientación del plano de una discontinuidad está dada por el vector de buzamiento (P) del plano y la inclinación por el ángulo (8), mostrados en la figura 12.

b)

b)

Esfera que muestra la representación estereográfica de una fractura con rumbo NE 45° SW y echado 45° NW. El hemisferio inferior, empleado comúnmente en geología estructural.

La forma de representación aconsejable para manejar un volumen grande de datos, es por medio de estereograinas que permiten representar la posición y dirección preferencial de sistemas de discontinuidades, y mostrarlas en forma objetiva y estadística (Fig. 13). e)

Número de familias (N)

Los planos de estratificación de las rocas sedimentarias, y la esquistosidad y foliación de las rocas metamórficas, es común que se formen en una familia de discontinuidades, ya sea paralelas o subparalelas. Las diaclasas, fracturas y fallas, muy a menudo también se organizan en.varias familias, cuyos elementos son subparalelos; y ·tienen en común, además Nor!e(tt)

Nono IN)

DD~Eilll~~~~o-1

Fig. 12

Fig. 13 Dirección del vector Nap (con relación al norte (Aftes).

42

1-2

z-3 /

3·4

4-6

6-8

8-lo

10-11

11-12%

Diagrama de frecuencia de las 311 diaclasas de los montes en Adirondak representadas en el hemisferio inferior (C.F. E., 1979).

/

'Tabla U L Familias de discontinuidades (Aftes)

Tabla V.

lndice de calidad de la roca (Aftes)

·.•

'

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. Desc:ripft>dm -:-----------------, l------"'----------1!!..7~1t-~1-in. (5207mm) 18 lt. 6 in. (5639mm)

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, CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO TRASERO ./

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EL CAVO 320

CARGANDO UNA VAGONETA

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EL CAVO 320 CARGANDO UNA VAGONETA . DE NEUMÁTICOS

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fL CAVO 330 DESCARGANDO SOBRE TRANSPORTADOR DE BANDA

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CARGADORAS DE CUNA OSCILANTE CON VERTIDO ATRANSPORTADOR INCORPORADO

Vólvulo do elevoci6n de lo cuchara y de lo transootfodoro XIHivMhuO"'tl. 8Gnds~l

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CARGADORAS DE VERTIDO DELANTERO OLATERAL

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Cargador de discos rotativos

tipo FL .300

Vagón de fondo móvil shuttlecar

LM 36, LM 56, LM 70 y•tM 250 sobre vagón de mina

LM 56, LM 70 y LM 250 sobre vagón de fondo móvil

Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil

Accionamiento eléctrico Haggloader 8HR sobre vagón de fondo móvil

Sin vía Accionamiellto neumático

Accionamiento eléctrico

CAVO 310, 511

Haggloader 9HR sobre Hagghauler HT

Diesel Cavo 320, 520 sobra Hagghauler HT

CARGA ~ 2 A 2 1/2 MINUTOS LIMPIANDO SU PROPIO CAMINO

TBL630

TRANSPORTA

A ALTA VE~Q CIDAD (MÁS DE 5U KPH)

DESCARGA - 30

SEGUNDOS -RÁPIDO y Llf-1PIO CIJCHARÓN DE DESCARGA FRONTAL,

~~~.~~(("'~"ji> ~J "~

< ·.t--e' (.'.• ,~ ·.. tr' ol .· '{)1 ;JL_!;J ·,·; :~ ·, ·. .)C---1-L...._.. '-'.;1 ..

9.J-h~

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.

~------

ACARREADOR MINERO AUTOPROPULSADO Hemos unificado esta denominació n a todo vehículo m mero que se utiliza para el transporte ya sea de carga de mineral, de material y herramienta, de personal o de lubricante. Forzosamente los tipos incluidos han de tener entonces características muy diversas, lo cual se pone de manifiesto considerando los carriers para transporte de carga de mineral. Estos equipos pueden ser de cuerpo rígido o articulado. Pueden realizar su descarga por vuelco (como los dumpers normales) por un tope telescópico que "barre" la carga de la caja, o bien por medio de un transportado r que constituye el mismo fondo de la caja. Característic a común a todos ellos es el diseno de perfil bajo, la construcción robusta y la capacidad de absorción de choques. El radio de giro de un carrier no sólo depende del ángulo de articulación o de deflección de ruedas,

sino de la distancia entre los ejes delantero y trasero; cuanto menor sea ésta, menor será el radio de giro. El centro de gravedad del conjunto camión-carga ha de ser lo más bajo posible, no sólo por cuestión de estabilidad (esencial), sino también para disminuir las tensiones dinámicas. La velocidad de desplazamie nto viene determinada más por el estado de la superficie de rodamiento que por un sobredimens ionamiento del motor. Mientras que los costos operativos están en relación directa con el peso bruto (vehículo + carga) las producciones sólo guardan relación con la carga: consiguientem ente es vital que un camión minero tenga una relación peso bruto: carga lo más favorable posible. La distribución de la carga sobre los ejes es también un importante factor; entre otras ventajas permite el ascenso de rampas con buenas condiciones de adherencia de las ruedas.

K- 162 • 12 m 3 • (20 ton}

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Wolghll Netweight _payload Qroaa~ght

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17.5tons

20.0tons 37.5tons

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22.7tons-61

167

900 Kg/ cm2

MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECCION ROCA DE DUREZA

168

<

600 Kg/ cm2

> 50 m2

MAQUINARIA UTILIZADA EN El LABOREO DE TUNELES DE SECClON> 50m 2 ROCA DE DUREZA 600; 900 Kg/ cm 2 r 1 1 1

MAQUINARIA UTILIZADA EN LABOREO DE TU N ELES· DE SECCION ROCA DE DUREZA

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170

>

900 K g/ cm 2

> 50

m2

4.

PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION 1.

Sección completa

2.

Media sección y banqueo

3.

Sección completa con túnel piloto central

4.

Media sección superior con túnel piloto y media sección inferior con túnel piloto (Método belga}

5.

Media sección superior con rezagado a túnel piloto inferior (Método austriaco} ·

6.

Dos túneles piloto laterales y túnel piloto superior con banqueo posterior (Método alemán}

7.

Túnel piloto central y ampliación de sección con túnel piloto superior (Método italiano}

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171

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DISE~O 'A'

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LINEA PROYECTO DEL REVEST IM 1 ENTO

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....... ..__j _____ .... / DE SO!'ülnE

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MARCOS COMB n~ADOS SOPORTE DE MADERA

SOPORTE DE ACERO

SISTEMAS DE SOPORTE CON MARCOS Y ANCLAS EN LA CLAVE

Ataque a plena sección con varios pisos.

f1~TODO

ANCLAS EN CLAVE

Ataque a plena sección. Variante con galería de base.

DE MEDIA SECCIÓN Y BANQUEO

A-A

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1

lA

M~TODO

DE TÚNEL PILOTO CENTRAL

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BLOQUES ENTRE LA ROCA Y EL MARCO tBLOQUES ENTRE LA BARRA.DÉ éLAVE Y LA ROCA Y EL MARCO

t

CLAVE EMPUJANDO HACIA AFUERA (SEGÚN PROCTOR Y WHITE)-

AR"fADURA

PROCEDIMIENTO DE MARCOS SOBRE ARMADURAS

SECCIÓN fi-6

SECCIÓN Á-A

SECCIÓN F-F

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1

ESQUEMA DEL MtTODO BELGA (ARCO VOLADO), A PARTIR DE UN ATAQUE SUPERIOR

SECCIÓN A-A

SECCIÓN B-B SECCIÓN t-C

Sfi:CCIÓN'D·O

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DETALLES DE ATAQUE DOBLE EN EL MÉTODO BELGA

SECCIÓN 'f-E'

SECCIÓN F-F

SECCIÓN'L-M

SECCIÓN N-O

COLADO DE LA

SOLERA /TRANSVERSAL

SECCIÓN LONGITUDINAL /11

NI

1"1 '.

Rl

FASES CONSTRUCTIVAS DEL MÉTODO AUSTRIACO

Fi

MÉTODO DE ETAPAS MÚLTIPLES A),-EXCAVACIÓN Y PREPARACIÓN PARA EL COLADO

B),-EXCAVACIÓN DE LA PARTE SUPERIOR

C),-AMPLIACIÓN DE LA SECCIÓN SUPERIOR

BORDE EXTERIOR DEL CONCRETO POSTE DE CONCRETO RE FORZADO DEJADO ATRAS DE LA SECCIÓN

F),-CONSTRUCCIÓN EVENTUAL DE CAMISA INTERIOR DE CONCRETO REFORZADO

E),-COLADO .DE LA CUBETA

176 · - · - ·· · _ .-~---·-----

METODO ITALIANO

8.

1-77

SECCIÓN EN

DIVERSOS

M~TODOS

EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS MUROS

1 TROQUEL ~~~~~~·._--~~~~r . .'-:.;.··.···. .. -· ...

VIGUETA DE PARED (MADERA, ACERO O CONCRETO) TORNAPUNTA TEMPORAL

LINDERO DEL CORTE CENTRAL

TORNAPUNTA PARA CONSTRUIR LAS PAREDES 178

5.

ARREGlOS GENERALES Y DISPOSITIVOS PARA LA UTILIZACION EFICIENTE DEl EQUIPO DURANTE El PROCESO DE ACARREO (REZAGADO)

o

1

179

ARREGLOS DEL SISTEMA DE DESCARGA EN.EL TUNEL

LocoMOTORA 1

EMPUJADOR 1

LuMBRERA

1 EMPUJADOR 1 LocoMOTORA

DESCARGA ENTRE LOS RIELES

TREN

DESCARGA LATERAL A LA VÍA

DEL CARGADOR FRONTAL

7

~.'~

~ v...q¡;.

~------------~-----------

180

-1 ENTRADA

CUANDO SE CARGA EN

A) VISTA LATERAL

TRAMO RECTO SOLO SON

CIJAHl)O SE CAI\I!A EN CURVAS

NECESARIOS ESTOS "

EN TREN DE!E .ACORTARSE

DISPOSITIVOS DE SUJECIÓN

5

2

B)

3

PLANTA DEL TREN MODULAR

Co!wil'O ELtCTRICO ESTACIONARIO "T.""--lá~iElf==-7 PERNO

USUAL

. D} AcARREADOR DE RECEPCIÓN

fLacAs N

DE

E11PWE

e) St.CCIÓN TRANSVERSAL DE UN ELEMENTO ( l'IE }

PR!)TEQ:Ii!H

11~\M.IIIIJITAIIOR

---}?/lf,,,i--d

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SICcliiH "INIIIA PARA fRNISOOliTI

~·- ~·~·~·· -~i ~?iii'174" __ _ 1

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1

~..r-·d:--1-~~--d'

~1 '

')'BANDA DE CARGA, NORMAL, ALTURA OBLIGADA DE DESCARGA 1420 MM. ( 2 ) AcARREADOR DE RECEPCIÓN ( 3 ) D1SPO Sl TI VO DE COMPACTACIÓN ( 4 ) ELEMENTO TRANSPORTADOR ( WE ) ( 5 ) MoTOR TRACT 1VO ) COMANDO DE CADENA PRINCIPAL ( 7 ) COMANDO ELkTRICO ESTACIONARIO ALTERNO, PARA DESCARGA

~"-

¡

. L.

--·-

malacate de .doble

escrepa

mina

REZAGADO DEL FRENTE

Cambio catilornia

Ramal secundario Portal elevador de cambio de vagones

X X:

X

X X XX XXXXX:XXXJ(XXJK.XXXXít

Cambio lateral de placa

bre camión

Túnel con nicho, para cargadora frontal descargando so-

LADERO DE

AL~IACENAMI

CARROS. VAdos

ENTO

CAMBIO

:. ?(5§?5* ~~LA

A

•

-

·

DE

lZAJE

CARROS CARGADOS

CAMBIO

LADERO DE ALMACENAt-11 ENTO

CAMBIO

CARROSVAClOS

CAMBIOS

B LADERO PE CARROS VACfOS (,

VlA DE AVANCE

/

/

JAULA DE lZAJE

LADERO DE

o

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ALMACENAMIENTO

~·:¿

Cot1PUERTA

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.·

\

·. DE ·~···· . . . ~ ~

ARREGLOS DE VfA EN EL FRENTE O LUMERERAS DE IZAJE 183

VlA PERMANENTE

LADERO PORTATI L CON APOYOS DE ACERO

CAMBIO CALIFORNIA PORTÁTIL

1

~'-J_ ,-._;!.-:~ - -.-. ~-'RR_~s;:CI;-= _·

CARGADOR

CARROS CARGADOS

. LOCOMOTORA

( A ) ARREGLO GENERAL CON CARGADOR FRONTAL Y VÍA DE AVANCE ( E ) Y ( C ) CON VÍA DE ALMACENAMIENTO DE CARROS 184

SISTEMA COORDINADO

... ~\

.\

\ SISTEMA DE IZAJE DE LA VAGONETA, CON MALACATE···.

CARD

6.

REFERENCIAS

The Art of Tunnelling Károly SzéchyAkadémiai Kiadó-Budapest, 1970. Tratado de Procedimientos Generales de Construcción; Cimentaciones y Túneles, Paul Calabru, Editorial Reverté. Cantera~ y

Explotaciones Revista Técnica de Maquinaria para Canteras, Minas, Cementos y Obras Hidráulicas No. 951 enero 1975. ·

Té~nica Moderna de Voladura de Rocas, U. Langefors y B. Kihlstrom Urmo, S.A. de Ediciones 1976. Técnica Sueca de Voladuras, Rune Custafsson SPI, Nora, Suecia, 1977. Handbook of Surface Drifling and Blasting Tamróck.

186

VOLADURASSUBTERRANEAS

A. Samuelson

Generalmente las excavaciones subterráneas son a base de túneles y lumbreras. Lo que no es túneles o lumbreras es una adaptación de voladuras de banco.

1.

El banqueo se hace con barrenación vertical u horizontal. Bancos con alturas menores de 4 metros son desfavorables por sus altos coeficientes de barrenacíón y carga. Ver Fíg. 2. Túneles anchos o en roca mala es ventajoso de atacar con túnel piloto y ampliación (banqueo) lateral. Ver Fig. 3. Con el túnel piloto se pueden investigar las condiciones de roca sin abrir un techo ancho y poner andas y/o concreto lanzado antes de la ampliación lateral.

TUNELES

la diferencia principal entre voladuras de túnel y voladuras de banco es que en el túnel hay solamente una cara libre, comparado con mínimo dos en un banco. Esta cara adeEl emboquillado es preferible .de hacer con un túnel piloto más perpendicular al avance del frente. Por esto se necesita _ abajo, después las ampliaciones laterales y finalmente bajar crear una apertura en todo el largo del avance previsto y después volar la roca sucesivamente hacia esta apertura. En la ampliación de la apertura se aplica el método de voladuras de banco. Pero la carga específica es mucho más alta por las · siguientes razones:

es

a)

Barrenos desviados (el ambiente subterráneo con obscuridad, humo, agua, alto nivel de ruido, etc., dificulta el trabajo).

b)

Espacio requerido para el hinchamiento de la roca (el hinchamiento es arriba de 50%).

e)

Barrenos sin inclinación.

d)

No cooperan barrenos adyacentes.

e)

El efecto de la gravedad en los barrenos qu~ tienen salida por arriba. . . nos de la cuna son 3.20 X - 2- = 3.70 m. En la figura 6 SE' muestra t>l esquema dE' ba-

...[3

rrenación para una cuna E'n V. los datos t>n la Tabla 1 sirven como guía para t>l cálculo dE' barrt>nación y carga de cunas en V con t>l ángulo 60°.

Tabla

Fig.~5

Construcción del esquema de perforación para.un cuele en abanico

189

1

Bordo V m

Concentracción de carga de fondo kg/m

Número dt>.hiiE>ras horizontales

1.5

1.0

0.9

3

38

1.6

1.2

1.4

3

45

1.8

1.5

2.0

3

48

1.8

1.6

2.3

3

51

2.0

2.0

2.6

3

Diámetro de barrenación mm

Altura de la cuna m

30

mt>ra V se pont>n t>stopint>s lnstantánt>os ).Al lado dt>l intt>rvalo t>ntrt> los Vs dt>bt> t>star suficientt>mt>ntt> largo para pt>rmitir t>l hinchamit>nto y movimit>nto dt> la roca desprt>ndida. Naturalmt>ntt> t>sto t>S más importante para avanct>s largos. En Mí>xico hay pocos númt>ros disponiblt>s qut> a vt>ct>s limita t>l avancE> por tronada.

l'l'ente te~zico

e)

Cunas paralelas

Lo antes expliCado en cUanto a la aplicación de las cunas paralelas se extiende también a túneles grandes. Esto depende de las ventajas que ofrecen las cunas paralelas para la barrenación mecanizada:

Fig. 7

Todos Jos barrenos tienen la misma longitud. Esto vale especialmente para jumbos con pistolas que no tienen rotación reversible, lo que hace la extensión o el cambio de la barra muy tardado.

Puntos de referencia para dirigir los barrenos.

Los brazos pueden trabajar independientemente y se puede distribuir la barrenación bien entre los brazos.

La carga de fondo debe ocupar mínimo una tercera parte del 0.5 X carga de barreno. Concentración de carga de columna fondo. Taco = 0.3 V. Durante la fase inieial de una obra es preferible de aumentar la carga de fondo a la mitad del barreno.

=

Con los brazos con paralelidad automática se obtiene una barrenación perfecta solamente vigilando el emboquillado. Como el diagrama de barrenación coincide en la superficie y en el fondo, es más fácil de instruir a los perforistas.

Los ayudantes de la cuna son también'inclinados para faCilitar la salida hasta el fondo. La figura 7 muestra el principio para localizar los ayudantes:

Usando el mismo equipo de barrenación las cunas paralelas son iguales para todos los avances y todas las áreas de los túneles. Esto simplifica el entrenamiento de los perforistas.

En la figura 7 st> puedt> ver como se usan los puntos dt> rt>ft>rencia para dirigir los barrE-nos corrt>CtamE>ntt>. En el túnt>l normalmentE> 'se usan faint>ros blancos para marcar los puntos de. refert>ncia. En un trabajo bien ejt>cutado sit>mprt> st> mantit>nt> t>l frt>ntt> t,J1l poco doblado, qut> entre otras ventajas da un postcortt> con mE-nos constricción. Como se ve en la figura st> nt>ct>sita tomar t>sto .t>n cuenta cuando se marcan los barrenos. inclinados. Esto es una dt>sventaja dt> la cuña t>n V.

La desventaja dominante de las cunas paralelas es la elevada precisión de barrenación que requieren, especialmente en roca dura y avances largos. Otra cosa importante es la concentración correcta de la carga, .para evitar que se queme la roca por exceso de carga.

Bordo y carga para los ayudantes de la cuna: Diámetro de barrt>nación mm

Bordo m

Carga dt> fondo kgfm

Carga dt> columna kg/m

Tacp m

30

0.80

0.90

0.36

0.40

38

0.90

1.40

0.55

0.45

45

1.00

2.00

0.80

0.50

48

1.10

2.30

0.90

0.55

51

1.20

2.60

1.00

0.60

=

Hay una gran variedad de cunas paralelas y normalmente el equipo de barrenación disponible indica el tipo de cuna. Si se cuenta con barrenas de un solo diámetro se usa una cuña quemada con 3 ó 4 barrenos sin carga. En la figura 8 se presentah dos cunas quemadas comunes, la cuna Gronlund y la cuña de costura. La cuna de costura tiene la ventaja de tener los barrenos en una línea, que facilita la barrenación. · Para tener un avance máximo se usan las cunas paralelas con uno o dos barrenos centrales de gran diámetro. En adelante vamos a llamarlas cunas cilíndricas. También se llama cuna paralela con barreno quemado. La base para el cálculo de una cuna cilíndrica es la relación eritre el diámetro del barreno centrill y la distancia y carga del primer barrt>no cargado.

Altura dt> carga de fondo 1/3 X profundidad del barreno. Concentración de carga de columna 0.4 X carga dt> fondo. El bordo no debe t>xceder profundidad de barrenación - 0.4.

=

2

Esta condición toincid~ con la limitación para bancos bajos, dondt> el bordo máximo Vmáx no debe t>xcedt>r la mitad de la altura del banco:

Vmx á

En la Tabla 11 st> da concentración dt> carga en kg/m para cunas cilíndricas y máxima distancia a cuarido se dispara hacia barrenos vacíos con diámetros comprendidos entre 50 y 200 mm. El diámetro del barreno c:lrgado varía entre 30 y 45 mm. La concentración de carga corresponde a Gelatina Extra 40%. Con otros explosivos se corrige en relación a la potencia por peso.

=~ 2

Consecuentt>mt>nte se necesita cerrar la barrenación con avances cortos. Es prt>fNiblt> usar estopines MS en la cuna y sus ayudantt>s, para mayor colaboración entrt> los barrenos. (En la pri~

190

Tabla 11.

Diámetro del barreno central mm

50

Diámetro del barreno cargado mm

Relaciones básicas para cunas cilíndricas

2X57

75

83

a-mm

Avance máx. m

1 1

.

. 150

200

0.20 0.25 0.30

0.30 0.35 0.42

0.30 0.35 0.42

0.35 0.40 0.40" 0.45 0.50 0.55

0.45 0.53 0.65

0.45 0.50 0.60 0.53 0.60 0.70 0.65 . o.7o .· 0.85

0.80 0.95 1.10

90

15.0

130

145

175

200

190

220

2SO

330

1.6

3.0

2.9

3.1

3.6

3.9

3.9

4.3

4.8

6.0

la cuna en doble espiral es la más efectiva, pero se necesita un barreno central de mínimo 125 mm para obtener un buen avance, lo que implica· q~Je el jumbodebe tener una perforatiara especial para este barreno, Otra desventaja es que tiene una forma geométrica bastante complicada, que dificulta la barrenación. Sin embargo se usa el principio para la cuna Coromant. Esta cuna se puede barrenar con máquinas de pierna usando una plantilla de aluminio para guiar la barrenación. Con un accesorio especial se barrenan dos barrenos con diámetro de 57 mm.en forma·de un8. Este huecocorresponde más o menos a un barreno de 75 mm ..

C1ú'la Gr!lnlund .

100

125

Concentración de carga kg/m

30 37 45

1

100 2X75 110

~--~

'l--

210

....

Cufla de costura

INST 1

100

100 200 100

-t-·~ 100

500

-.;K)-

(los ndmeros indican solamente el orden de ignioi6n)

Fig. 9 Fig. 8

Cunas quemadas comunes

191

Cuna cilíndrica con un barreno vacío· de 11 O mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m

Ejemplo de diagrama de barrenación y cálculo de carga En general Hasta ahora la mecanización de la barrenación ha implicado el uso de brocas de 45 a 51 mm. Por eso la aplicación de equipo mecanizado ha sido retrasada, especialmente en túneles con diámetro pequeño. Ultimamente han salido en el mercado brazos hidráulicos que pueden barrenar con acero integral. En realidad estas máquinas salieron hace años, pero ahora han pasado el estado de e~perimento. Se piensa que una comparación entre barrenación con acero integral y acero de extensión puede ser útil para escoger el procedimiento má~ económico. Sección del túnel en que se va a aplicar el ejemplo, ver el anexo 1.

Fig. 10 Cuña cilíndrica con dos barrenos vacíos de 76 mm de diámetro. Para barrenación hasta 3.9 m.

la cuna Fagersta también se puede barrenar con máquinas de pierna. El barreno central de 75 mm se hace en dos etapas, primero un barreno piloto y después una ampliación con una broca é'scariadora. En las figuras 9 a 12 se presentan algunos ejemplos de cunas cilíndricas.

1

1

1

f}

_-1'-41..._ -t-+-~-·~L. ___

f' 1

1 Fig. 11

Fig. 12 Cuna Coromant con dos barrenos vacíos de 57 mm de diámetro. la barrPnación se guía con una plantilla de aluminio. Para barrenación hasta 3.0 m.

tro actual del barreno. Secuencia del cálculo, se muestra en la figura 14.

En este caso sale una carga específica de 1

'

+ (37

-

25)

x 0.02 = 1.24 kg/m3

la carga de fondo tiene una altura de una tercera parte del barreno y el taco es igual a 0.5 x bordo para barrenos con salida hacia arriba. Para los barrenos de piso se reduce el taco a 0.2 X bordo.

'

Otra condición es que el bordo no puede ser mayor que

l - 0.40 2

'Fig. 13

Concentración de carga retacada

dondE' l es la profund.idad dE' la bammación ..

193

(3)

El espaciamiento es normalmente 1.1

x

el bordo

Sección transversal La sección transversal del túnel tiene forma de herradura formada por arcos de circunfPrencias, la partP dP la bóvPda COn un radio interno de 5.15 m y la de los hastiales con un radio interno de 7.00 m. El revestimiento de concreto tendrá un espesor normal teórico de 30 cm, pero para aquellas zonas que lo requieran se prpvén 45 cm o 60 cm de revestimiento con contrabóveda en la solera para el caso más desfavorable.

(4)

Con esta condición se ásegura que haya espacio para la carga de fondo y el taco. Se puede comparar con la voladura de bancos bajos donde el bordo no puede ser mayor que la mitad de la altura.del banco. · Es muy importante que se haga él cálculo con las medidas quP PXistPn Pn E"l fondo de la barrenación. VPr la línea puntPada Pn PI anpxo q, quP indica dondP caPn los barrPnos pPrimetrales con la desviación necesaria para dar espacio a la perforadora.

El túnel está separado en dos partes bien distintas, una superior que es la reservada para la ventilación y una inferior para el tráfico y duetos de servicio. La parte superior está dividida por medio de una pared de separación vertical, de 15 cm de espesor suspendida a la bóveda eri dos canales, uno para el aire fresco y otro para el viciado. Los dos canales no son iguales siendo el del aire fresco un poco más grande, por consiguiente la pared de separación no se encuentra en el eje, pero desplazada de 30 cm hacia el canal del aire viciado.

Se hace constar que esta desviación es independiente de la profundidad de la barrenación; porque depende únicamente del tamaño de la perfórádóra. · TUNEL CARRETERO "PALO GRANDE" Localización

Los canales de ventilación están cerrados interiormente por el techo del túnel, con un espesor de 15 cm que está suspendido en la parte central de la pared de separación y apoyado en sus bordes a ranuras continuas"previstas en el revestimiento del túnel. .El techo no es horizontal pero ligeramente inclinado para permitir el escurrimiento de eventuales aguas de condensación. El techo del túnel como también la pared de separación, serán reforzados con mallas de acero y ejecutadas con concreto Rcc/28 300 kg/cm2

Km 12+900 a Km 17+ 200 aproximadamente de la Autopista San Cristóbal-La Fría en los Departamentos de Lobatera. y Cárdenas en el Estado de Táchira República de Venezuela. Descripción Dos tubos paralelos, cada uno de los cuales con dos vías de tráfico y un pozo cPntral dP ventiÍación.

=

Geología Emplazado en toda su longitud en rocas sólidas calizas y lutitas.

Cada 8 m un canal de ventilación secundario permite de hacer desembocar el aire fresco a O cm sobre la acera de la vía rápida.

Flujo de agua esperado durante la construcción:

ta parte inferior reservada al tráfico prevé un gálibo libre de 7.70 m de ancho por 4.5 m de altura, lo que permite obtener dos vías de tránsito de 3.85 m. Entre este gálibo libre y el techo, hay una tolerancia de 40 cm bajo la pared de separación y 25 cm en los extremos. Al borde de las vías de circulación se encuentran las aceras· laterales de un ancho de 90 cm lo que lleva a 9.50 la base del túnel, .a la cota de la calzada.

· La zona de los portales, al norte por unos 700 m y al sur por unos 250 m, se podrá considerar seca. La zona central, al pie del pozo de ventilación por un tramo de unos 300 m donde se puede contar con importantes cantidades de agua. La zona restante, donde se prevé un flujo de agua moderado.

Bajo las aceras se encuentran, de un lado, ocho tubos de P.V.C. para cablps (6 dP 10 y 2 dP 12 cm dP diámPtm) y dPI otro tres tubos de P.V.C. para cables (8 cm de diámetro) y la tubería de agua a presión que sirve para alimentar los hidrantes; todos estos tubos están embutidos en concreto. Los bordes de las dos aceras están delimitados por brocales prefabricados, con sumidero continuo. El espacio que quede entre la línea efectiva y teórica de excavación, a la base del túnel, se rellenará de concreto.

Trazado del. túnel La longitud del túnel de aproximadamente 4 200 m puede ser dividida en dos zonas: La zona de los portales, donde una primera parte rectilínea (de unos 375 m al sur y 265 al norte) sigue una curva circular con radio medio de 700 m y que se extiende a unos 585 m al sur y 605 m al norte. La distancia entre los ejes de los dos túneles es de 25 m en la pi-ímera párte rectilínea para llegar a 30 m al final de las curvas. · La zona central rectilínea tiene una longitud t~tal de unos 2 335 m, la distancia entre los ejes de los túneles es constante en todo este tramo e igual a 30 m.

Bajo la calzada, formada por una sub-base en macadam de 25 cm de espesor, una pavimentación en concreto Rcc/28 280 kg/cm2 de 20 cm de espesor, armado con mallas de refuerzo, se colocará en el eje de la vía oeste de cada túnel un desag1,1adero formado por un tubo de concreto de 60 cm de diámetro.

Las distancias dadas anteriormente se entienden por término medio, pues la longitud de los dos tubos no es igual: el del este es de casi 4&.6 m más largo que el del oeste.

Solamente bajo la calzada de la vía lenta del túnel este se colocará una tubPría dP acPro dP 20", SPgún lo rPquPrido por PI Instituto Nacional de Obras Sanitarias (INOS).

=

194

Tanto la calzada como las aceras tienen una pendiente del 2% hacia el Oeste para favorecer el escurrimiento de las aguas de lavado o de eventuales infiltraciones.

del túnel. Esta agua descarga a través de los respectivos colectores de fundición de 20 cm de diámetro, en la correspondiE>nte boca de visita del dE>saguadero.

Sistema de drenaje.

E1drenaje de la base de la calzada será garantizado por agujeros colocados a intervalos de 2 m a. lo largo de todo el desaguadero. Ver figura 15.

El revE>stimiento del túnel tendrá un módulo de 8 m y entre cada elemento se dejará una junta abierta, de 70 cm de ancho, por todo el perímetro del perfil con el objeto de captar las aguas de infiltración y drenar así la rota.

Excavación Se realizará la excavación de la sección superior como primera etapa.

De cada fado de fa junta abierta, un colector de 8 cm de diámetro encanala el agua y la descarga en la cuneta del brocal. En caso que sea necesario, se podrán hacer unas perforaciones de drenaje radiales desde la junta abierta.

Ciclo de excavación

Esta última será recubierta en fa parte inferior con una cober·tura de aluminio. En cada canal de ventilación se colocará cada 56 m, tras un pequeño sumidero, un tubo de desagüe de 3 cm de diámetro que descargará en la junta abierta.

a)

Trazo topográfico y acercamiento de equipo 0.5 hr

b)

B?rrenación (Dos yumbos equipados con 4 perforadoras c/u)

Los brocales con sumidero continuo, ubicados a ambos lados de la calzada, recogen el agua de infiltración y la de lavado

Longitud de barrenación *

1.

= 30 min.

· 3.2 m

TRANSVERSAL·

SECCIOl;

.E;{CAVACJON

GALERIA SUPERIOR

1~

~ ¡)1

¡(' l 1

1 • 74 m

\ \

gS

\

-

/ ..

BANQUEO

/

1

~

\

\

p.

\

1

\

~~, ___

...

~fE'ctivos ((31) + (30))

279

33.

Días calendario (32) X 365 + 300

340

34.

Rezagadora Cat. 977-L descarga lateral

Ciclo de acarreo de los volteos Espera ·

1.8 min.

Posicionamiento

0.6 min.

Carga de la unidad

2.4 min.

= 60 min/hr =

= 1.53 m3

2.1 km X 15 km/hr

8.4 min.

Acomodo y desca·rga

1.5 min.

Regreso vacío

Número de ciclos del cargador pua llenar cada unidad de acarreo ( (20) + (19) ) Tiempo del ciclo básico del. cargador· Tiempo de llenado de cada unidad ( (21) X (22))

2100 m

Recorrido cargado

= 1.91 m3

6.0 m3

=

22.

50.4 m3

Capacidad nominal del cucharón

Barrenación

31. 135.4 m3

14.

17.

29.

46.7 m2

Volumen de excavación a Línea "A" ( (2) X (12))

Minutos 30

7.60 hrs 456 min.

30.

Area de la sección superior a Línea "A"

= 138 min.

Horas 0.50

Trazo

Tiempo de carga por barreno

12.

0.60 min.

=

Conexión, retiro de equipo y tronado

•

25.

Carga de explosivos 9.

d)

Tiempo de posicionamiento

2

+

=

24.

2.1 km 35.

4

= =

x

60 min/hr 20 km/hr

Número de viajes por hora unidad

=

60 min/hr X 0.75

0.60 min.

21 min/viaje 2.40 m in.

36.

Se usarán perforadoras montadas D93AR con carro para admitir barras de 12 pies de longitud.

=

90 m3fhr

196

2.14 viajes/hr

Número de unidades nE'CE'sarias

=

2.14 viajE>s/hr x 6m-'/viajE' Ver nomograma E'n anE>xo No. 1.

6.3 min. 21.0 min.

7

ANEXO 1 DPtNmina~ión

dP la vPiocidad mPdia dP barrPnación, para las siguipntPs condi< DiámPtro dP broca

1 7/8"

PrPsión dP airP

90 Lbs/pulgl

Consumo dP airP

250 pipsl/min.

NúmPro dP cambios

Uno

Tipo dP roca

Cali.za mPdia

Condicionps dP trabajo

MPdias (subtNránE>o)

VELOCIDAD

BRUTA

E

BARRENACION

DE

PIES/M 1 HR

40 112

30 Pieo1111J !!JIOI 3>1 3 6 19 11 !!J 10_1 2016 M· 11·.!1 3 Plei¡M 113 5 11·5 1013

3o¡

Pin¡

Pie~¡ M

b

1

5

30

PULG/MIN, CM/MINo

27

PULG.

4

MM.

102 aa 7!1

3

1~

112

,.

40

3019

60

21 -' 501

2.!1

2.2!1

2

63

!17

!10

40

•

OIAMETRO

12 30

9

20

1.!1 3B

MALAS

1VELOC1DAO

DE PENETRACION EN GRANITO

1

10

1.7!1

MEDIANAS

112

6

44 DEL

BUENAS

~

3019

15

CONDICIONES DE BARRENACION

RAZONABLES

20[&

24

..

l1a

!101

2016

70

3.5

9

IOh

11·!1

60

!!OJI!!

40

ionP~

1.375

BARRENO

E stl maclo'n del fndk:e de barrenoclon con per foradciras de roca de percus1on.

197

~12

M/Hr.

------------------------------

REQUERIMIENTOS DE AIRE COMPRIMiqO

No.

Consumo unitario piPs 3/min.

Consumo total pipsl/min.

Pprforadora D93AR

8

250

2 000

Bomba dP sumidPro M-15

2

160

320

2

160

320

lanzadora aliva

1

800

tlOO

Bomba Stabilator

1

4

4

Tolva agragados y cPmPnto

1

300

Equipo a)

b)

Barrpnación

AnclajP Pprforadora dP f:'Spiga

e)

Concrf:'to lanzado

30

--3 744·

Corrección por altura sobre el nivel del mar (4 000 pies

=

1 220 m);

Multiplicadores para consumo de aire de perforadoras Consumo de aire comparado con el consumo de aire o nivel del mor poro pres•ones monometrlcos en lo perf01odoro de 70 o 90 lbs.

Alt uro en pies

o

1000 2000 3000 4000 !5000 6000 100~ 8000 9000 10000 12000 1500o ------- l.i741.2i3 Ws 1.2 98 00 l397 1.520 -1.665

1.00 1.032 J. 063 1.100 1.136

Estos mu ltiplicodores eston basados en un ciclo completo de expqrskin odiabotico 11-os perforadoras operan entre uno expansión odlabatico y un ljiCio de tarjeta cuodrodo.l>or lo tonto, los cantidades proporcionadas representan valores de seQurldod'. Pueden obtenerse multiplicadores basados en el ciclo de tarjeta-cuadrado dividiendo el índice de compresión en altura entre el ind•ce de compresion a nivel del mor. Para -calcular el cuadro se uso un valor poro n de 1.3947. Se supuso que los temperaturas y presiones monometricos en las que estaba basado el consumo de aire a nivel del mar,novarforian con la altitud.

---·-------= ________.4 253

3 744 X 1.136 ..

_Corrección por factor de diversi,dad (0.85) - - - - Capacidad nominal del. banco df:' comprf:'sores: ····--·--·-··-·-- ... - __ _

3615 .j.

_..A 000 pil:'s 3/min.

3 61 S 0.9

198

EQUIPO DE PERFORACION

'

1

1· 5~-8"~m-•-+--• ---

173

1

12'·11" 394

cm

-----1 . .

EQUIPO DE TRANSPORTE

EQUIPO DE CARGA

199

ANALISIS ECONOMICO EN TUNELES

M. A. Nava Uriza

1. 1.1

PREPARACION DE PROYECTOS Etapas de un proyecto

En su etapa de estudio, el proyecto se puede definir como el conjunto de antecedentes que permiten juzgar las ventajas y desventajas que presenta la asignación de recursos económicos, a un centro o unidad productora, donde serán transformados en determinados bienes o servicios.

Selección de los proyectos. Preparación de anteproyectos que permitan justificar la asignación de recursos para estudios más avanzados.

e)

Elaboración de anteproyectos que permitan determinar relaciones entre las realizaciones posibles.

d)

Calificación de prioridades entre los proyectos estudiados.

e)

Preparación de proyectos finales.

f)

Montaje de nuevas unidades productoras.

g)

Puesta en marcha y funcionamiento normal de las unidades productoras.

2.

Determinación del tamaño y localización.

3.

Ingeniería del proyecto.

Financiamiento, organización y ejecución.

Los proyectos agropecuarios abarcan todo el campo de la producción animal y vegetal. Las actividades forestales y pesqueras se consideran a veces como agropecuarias y otras como industriales. Los proyectos de riego, colonización, reforma agraria, extensión y crédito agrícola y ganadero, mecanización de faenas y abono sistemático, suelen incluirse en los proyectos complejos de esta categoría, aunque individualmente pudieran caÍificarse como proyectos de infraestructura y servicios. Los proyectos industriales comprenden toda la actividad manufacturera, la industria extractiva y el procesamiento de los product?s de la pesca, de la agricultura, de la actividad pecuaria y los extractivos.

El Manual de Proyectos de Desarrollo Económico de las Naciones Unidas, define como válido en el análisis de un proyecto de inversión, el desarrollo de las etapas o temas de estudio de la siguiente manera: Estudio de mercado.

6.

Desde un punto de vista económico, la clasificación más corriente de los proyectos de producción de bienes y de prestación de servicios corresponde a la división de la economía en sectores de producción. Este enfoque sectorial permite clasificar los proyectos en: agropecuarios, industriales, de infraestructun social, de infraestructura económica y de servicios.

En la etapa de estudio, el aspecto económico es lo que se considera principalmente (etapas a, b, e y d), mientras que una vez decidido llevar a cabo la iniciativa, se da mayor interés al aspecto técnico (e, f y g).

1.

Presupuesto de gastos e ingresos anuales y organización de los datos para la evaluación.

Existe sin embargo interdependencia entre ellos, por lo tanto el estudio del proyecto se aborda de hecho simultáneamente por varias partes, llegándose al planteamiento de soluciones finales mediante un sistema de aproximaciones sucesivas.

En un esquema ideal, el proceso de elaboración y selección de proyectos posibles debería pasar por las siguientes etapas:

b)

Cálculo de las inversiones.

5.

Desde luego la importancia que se le asigne a uno u otro punto del esquema general variará según la naturaleza del Proyecto o según las circunstancias locales, y el orden de presentación no es necesariamente el orden en el que se . pueden o deben estudiar.

Si se. decide llevar a cabo la iniciativa, se entra en una etapa dé realización, y el proyecto pasa a ser el conjunto de antecedentes y planos que permiten montar aquella unidad pro· ductor a.

a)

4.

Los proyectos de Infraestructura Social, tienen la función de atender necesidades básicas de la población, como salud, educación, abastecimiento de agua potable, redes de alcantarillado, vivienda y ordenamiento espacial urbano y rural. Los proyectos de infraestructura económica, inclu~en los proyectos de unidades directa e indirect'amente productivas

200

que proporcionan a la actividad económica ciertos insumos, bienes o servicios, de utilidad general, tales como energía eléctrica, transporte y comunicaciones:

b)

. Se trata de encontrar índices de evaluación que permitan comparar las ventajas y desventajas de tomar la acción A o B para alcanzar el objetivo formulado r n el paso previo. Normalmente son cocientes del tipo:

Esta categoría comprende los proyectos de construcción, modernización y conservación de carreteras, ferrocarriles, aeropuertos, puertos y navegación, centrales eléctricas y sus líneas y redes de transmisión y distribución de sistemas de telecomunicaciones y sistemas de información.

lndice de evaluación Ventajas · o efectividad (1) Desventajas Por ejemplo: kilómetro/litro de combustible en el diseno de automóviles, costo de construcción en el diseno sísmico de una torre de oficinas, la tasa interna de retorno eri una nueva planta productora, etc.

=

Los proyectos de servicios, finalmente, son aquellos cuyo . propósito no es producir bienes materiales, sino prestar servicios de carácter personal, material técnico, ya sea mediante el ejercicio profes[onal o a través de instituciones. Se incluyen entre ellos los trabajos de investigación tecnológica o científica, la comercialización de los productós de otras acti. vidades y los servicios sociales que no estén incluidas en la infraestructura social. 2.

Asimismo, en la selección de las medidas de efectividad se presenta en muchas ocasiones un problema de relación no lineal entre la medida y el valor, por ejemplo, el primer plato de comida cuando se está hambri~nto, no tiene el mismo valor que cuando se lleva ya el cuarto o el quinto.

EVALUACION DE PROYECTOS

La palabra evaluación indica un proceso de comparación de ventajas y desventajas que se observan al tomar éste o el otro curso de acción. Este proceso puede hacerse antes, (valuación de alternativas) durante (control y chequeo de la realización del proyecto) y después (verificación de resultados con la operación del proyecto, con respecto a los calculados).

e)

Excepto para problemas muy restringidos, para los cuales una cerrada formulación matemática es factible, no es razonable considerar todas las posibilidades. Inclusive aún si fuese probable pensar en todas las variantes, el sentido común sugiere que la investigación de todas las alternativas no tiene valor; ya que algunas no son suficientemente diferentes como para efectuar un análisis para cada una y otras claramente dominan sobre otras.

La asignación de recursos es un problema común en toda la amplia escala del diseno en ingeniería, industria y administración. Normalmente es parte de un proceso en el análisis de proyectos y en general, conlleva las siguientes etapas: Definición de objetivos.

b)

Formulación de medidas de efectividad.

e)

Generación de alternativas.

d)

Evaluación de las alternativas.

e)

Selección de la alternativa.

a)

Generación de alternativas

Dado que el esfuerzo de todo. el análisis es lograr el objetivo de descubrir o especificar la mejor solución al problema en cuestión, el analista deberá realizar un esfuerzo considerable en la exploración de un amplio rango de soluciones posibles. La pregunta es:.¿con qué intensidad y hacia dónde debemos mirar?

Por lo anterior la evaluación se puede considerar como una . etapa del diseno, pues en términos generales se consagra al detalle de cómo los hombres, el dinero y los materiales se deben combinar para alcanzar un gran objetivo.

a)

Formulación de medidas de efectividad

d)

Evaluación de alternativas

Debemos distinguir entre evaluar los efectos de cada alternativa y el seleccionar una solución particular. · La evaluación de las alternativas consiste en relacionar cada alternativa con sus efectos y observar sus ventajas y desventajas a través de los índices de efectividad (costos, beneficios, impacto en la comunidad, etc.) prefijados.-

Definición de objetivos

Ningún análisis lógico puede hacerse si no se procede primero a precisar los objetivos. Estos pu~den ser por ejemplo: la producción, venta y obtención de utilidades en una nueva planta por instalarse, para la sustitución de importaciones, o la producción de energía eléctrica mediante la construcción de una presa, etc. El analista tiene la obligación profesional de cuidar que su estudio esté planteado inteligentemente para que sirva de base en la toma de decisiones, por lo tanto, deberá ser lo más claro posible y permitir conocer las implicaciones de dichos obje~ivos para tomarlas en cuenta.

La selección es una actividad dí.ferente al proceso de evaluación que es una actividad mecánica, pues consiste en ef exámen de Jos efectos de cada alternativa y la comparación de sus valores relativos para una toma de decisión respecto al grupo que se prefiere. Se trata principalmente de una cuestión de juicio y de valorización. La distinción no es generalmente muy clara; por ejemplo en muchos estudios de beneficio/costo la diferencia entre estas 2 fases es por definición prácticamente inexistente, ya que el diseno se hará con la relación beneficio/costo más alta aceptable.

En general se pueden distinguir 2 ciases de objetivos: los que caen en el área de intereses del sector privado y los que están dentro del área de interés delsector público o social.

201

donde:

e)

l'inalmente, la selección es el arte de balancear todas las requiere de la aplicación de juicios de valor a las medidas de efectividad, objetivamente deducidas, mismas que constituyen las salidas del proceso de evaluación. consecuencias~

= Capital inicial.

r

= Porcentaje de ganancia o interés del capital.

= Capital al final del período. = Tiempo expresado en números de períodos capitalizables.

La selección como se ve no es únicamente un problema técnico. El analista deberá remover tanto como sea posible cualquier incertidumbre de orden técnico, para el que toma las decisiones.

Los plazos y las tasas son convencionales. E~is~e ~demás otro efecto del tiempo sobre el dinero que es su perdrda de valor adquisitivo".

Finalmente, es necesario contar con el mecanismo de retroalimentación ya que la implementación de la solución, muchas veces lleva un largo tiempo y es necesario revisar los resultados iniciales, pues constituyen sólo una aproximación preliminar al diseno deseable final. 3.

Ko K n

Esto se debe a una serie de causas que se acostumbra englobar con el nombre de "inflación". Llamando r1 a la tasa de ganancia del dinero y r2 a la pérdida de poder adquisitivo tenemos:

CRITERIOS DE EVALUACION

K futuro

Se distinguen dos grupos principales en los criterios de evaluación: por un lado los índices de comparación de proyectos se formulan conforme a los objetivos del empresario privado y por el otro conforme a los de la colectividad en su conjunto, se conocen como criterios privado y social respectivamente.

= K inicial (1 + r,)"(1 +

(3)

r2l"

(4) Normalmente:

r, r2 < < r,

r, r2 < < r2

El primero se emplea como una valoración (generalmente monetario para fines de homogenización) a precios de mercado pues, interesa maximizar utilidades. En el segundo la valorización se hace tanto a precios de mercado como a costo de oportunidad (también monetario).

Así que si hacemos r,

+

Kf

r2

=r

= Ko(1 + r)"

(5)

Normalmente r es el precio de mercado del dinero Y lo conoceremos solicitando un préstamo a un banco.

El precio de mercado será representativo del valor real de los bienes y servicios si funcionan libremente las leyes de la oferta y la demanda en condiciones de competencia perfecta, con ocupación plena de todos los recursos y completa movilidad de los factores de producción cuando estas condiciones no se cumplen, que es la situación normal, debido a las condiciones estructurales de la economía, el sistema de precios se ve deformado.

Como se vió anteriormente los cálculos de evaluación abarcan toda la vida útil del proyecto, por lo que habrá que operar con valores monetarios correspondientes a transacciones realizadas en distintas fechas. Para que tales magnitudes sean comparables, es necesario hacerlas homogéneas respecto al tiempo, empleando para ello equivalencias financieras.

El costo de oportunidad es aquél en el que se incurre cuando se desvía un recurso del capital hacia un fin distinto al que se tenía asignado, dejando de producir en una actividad inicial Por ejemplo este concepto es de gran importancia en los ca· sos en que habiendo desempleo se piensa utilizar la mano de obra disponible para la realización de un proyecto la cual será remunerada con el salario mínimo.

Las equivalencias financieras más utilizadas en la evaluación de proyectos son el monto compuesto, el valor presente, el valor presente de una serie.de valores y el factor de recuperación del capital. a)

Monto compuesto (interés compuesto)

En este caso, el precio de mercado de esa mano de obra es el salario mínimo, sin embargo el costo ·de oportunidad de la misma será cero, ya que no se está distrayendo de ninguna otra actividad productiva.

Se utiliza para determinar el valor equivalente que tendrá una cierta cantidad actual, al cabo de (n) períodos acumulando a una tasa de interés (i) por período. (Como se muestra en la Fig. 1.)

4.

Valor inicial: lo Valor al final del período 1: l1 lo

CONCEPTOS DE ACTUALIZACION

= + i lo = (1 + i) lo

El. dinero tiene un valor que es función del tiempo, por ejemplo, si colocamos un capital en un banco éste nos proporcionará un pago porcentual como ·ganancia al cual llamamos interés.

Valor a! final del período 2: l2

Valor al final del periodo n: In

Este monto lo calculamos con la expresión: K == Ko (1

+

Al factor (1

r)"

202

+

= 1, + i l1 = = (1 + i) l1 = (1 + = (1 +

l)"'o

i)21 0

(6)

(7) (8)

i)" se le llama factor de interés compuesto.

Al factor (1 + i)" - 1 1 se llama factor de actualización . (1 + i)" de una serie uniforme de valores. d)

Factor de recuperación del capital

Se utiliza para transformar un valor inicial en una serie uniforme de valores iguales equivalentes. (Véase figura 4.) Este proceso es el inverso del anterior, o sea que:

1 Períodos Al factor Fig. 1

Monto compuesto

(1 (1

+ i)" -1 + i) n 1

1

(11)

o

--'-,_(1'--'+--"i)~~"-;-se le llama factor de recuperación de (1

+

1)0

-

1

capital.

Valor presente

b)

=

Se udliza para determinar el valor equivalente actual que tendría una cierta cantidad correspondiente al final del periodo n. Este concepto es el inverso del tratado en el inciso anterior (véase Fig. 2).

o

3

1.

4

Períodos

In

l o= (1

+

Fig. 4

i)" 5.

Factor de recuperación del capital

RENTABILIDAD Y RELACIÓN BENEFICIO-COSTO EN EL CASO DE CARRETERAS.

Existen varios métodos del análisis económico que son aplicables a la evaluación de alternativas de proyectos de inversión, los cuales pueden enumerarse como sigue: 3

2

4

n

1.

Método del costo uniforme anual equivalente o método del costo anual.

2.

Método del valor pre4nte para:

Períodos Fig. 2 e)

Gráfica del válor presente.

Valor presente. de una serie de valores

Se utiliza para determinar el valor equivalente actual de una serie de valores iguales correspondientes a .los períodos 1, · · 2, ... , n. (Fig. 3}. Aplicando el concepto del valor presente anteriormente vis· . to, se llega a:

lo

=

(1 + i)

(1

+

1' (1

+

... + - - '12 + (1 + i)". (1 + if iJ

=

+

i)" - 1 (1 + i)"

(10)

"'...

!C. 3

4

b)

Los beneficios

e)

Los beneficios menos los costos, generalmente llamado valor presente neto.

3.

Método de la tasa interna de retorno.

4.

Método de la relación beneficio-costo.

5.

Efectividad-cost~ o costo-efectividad.

n

Los siguientes incisos consideran brevemente las características esenciales de cada método, y algunas de sus limitaciones y ventajas.

Períodos Fig. 3

Los costos

Estos métodos tienen la particularidad común de considerar flujos futuros de costos o de costos y beneficio, de tal manera que las alternativas de- inversión se pueden comparar. Las diferencias en el valor dei dinero a través del tiempo se reflejan en las ecuaciones de interés compuesto que se utilizan, las cuales se constituyen en un medio para hacer tales comparaciones.

•111

2

a)

Valor presente de una serie de valores

203

.5.1.

El factor para obtener los "descuentos" de costos o benefi-' cios es:

Método del costo uniforme anual equivalente

El método del costo anual uniforme equivalente combina los costos iniciales de· capital y los gastos futuros periódicos, en pagos iguales anuales en el horizonte económico considerado.

fvp

Puede expresarse como sigue: CA(X,n)

(14)

donde:

== frc CCI(X) + CAPMO(X) + CPAU(X) (X,n)

= factor del valor presente para una tasa período n. i = tasa de actualización o "descuento" n = horizonte económico del estudio.,

fvp

frc VR (12)

i y un

E1 método del valor presente para el caso en que se consi,deran sólo los costos es el sigu~ente:

donde:

==

Ca(X,n)

frc

1 = ---'-----(1 + i)"

=

Costo anual uniforme equivalente para la alternativa X para una vida útil o periodo de análisis den anos. factor de recuperación del capital para una tasa de interés i en un plazo de n anos fcr

==

i (1 (1

+

+ i)n

t=n

VPCT(X, n) = CCI(X)

+E t=O

fvp[CC(X, t)

+

CMo(X, t)

+

CU(X."t) - fvp VR( +, n)

(15)

donde: (13)

VPCT(X, n)

i) n- 1

= valor presente del costo total para la alternativa X, en el período de n anos.

CCI

=

CAPMO CPUA

==

VR(X,n)

=

CCI(X)

Costo del capital inicial de construcción (incluye los costos actuales de construcción, costo de los materiales, costo de ingeniería, etc.) para la alternativa X. Costo anual promedio de mantenimiento más costo de operación para la alternativa X. Costo promedio anual del usuario para la alternativa X (incluye costos de operación del vehículo, costo del tiempo de viaje, costo de los accidentes): Valor del rescate en caso de que se considere para la alternativa X al final de los n anos.

alternativa X (en el ano cero o de base) CC(X, t)

= costo del capital de construcción, etc., para la alternativa X en el ano t, donde t

f"p CMO(X, t)

< n.

= factor del valor presente. =

costos de mantenimiento y operación para la alternativa X en el ano t.

CU(X,t) = costo del usuario o costo de recorrido (incluye costos de operación del vehículo, tiempo de viaje, accidentes, etc.). para la alternativa X, en el ano t: VR

= valor de rescate, si lo hay, para la alternativa X, al final del período de diseno y horizonte económico (n anos) o vida útil.

Esta ecuación considera costos anuales, mantenimiento y operación del usuario sobre uria base promedio. Esta simplificación puede ser satisfactoria para muchos objetivos. En el caso en que tales costos no se incrementen uniformemente, se puede utilizarun factor de crecimiento experimental.

El valor presente de los beneficios puede calcularse de la misma manera que el valor presente de los costos, utilizando la siguiente ecuación: n

El atractivo básico de este método en su simplicidad y facilidad de compresión. Sin embargo no puede ser utilizado, excepto intuitivamente, para determinar si un proyecto es o no económicamente justificable, de~ido a que no incluye los beneficios en la evaluación. En consecuencia , la comparación entre alternativas debe hacerse sobre la base de su costo únicamente, con la inherente suposición de que todas tienen iguales beneficios. Sin embargo, especialmente donde se invo!ucren diferencias en los costos de operación de los vehículos esta suposición es cuestionable. 5.2

= costo del capital inicial de construcción para la

VPBT(X n)

=

I: fvp [BDU(X, t)

+

BIU(X, t)

+

t=O

BINU(X, t)] (16)

donde: VPBT(X, n)

= valor presente de los beneficios totales para la alternativa X en el horizonte económico n.

BDU(X, t)

= beneficios directos al usuario correspondientes a la alternativa X para cada ano

BIU(X, t)

Método del valor presente

t.

= beneficios Indirectos al usuario correspondientes a la alternativa X para cada ano t.

El método del valor presente puede aplicarse o sólo con los costos, o sólo con los beneficios o con los costos y beneficios juntos. Involucra la transformación de todas las sumas futuras al presente, utilizando una tasa apropiada de descuentC' o actualización.

BINU(X,t)

= beneficios

indirectos a no usuarios correspondientes a la alternativa X para cada ano t.

Debido a las dificultades para medir los beneficios indirectos al usuario y los beneficios indirectos a no usuarios, es común.

204

considerar en el análisis únicamente l~s beneficios directos. Las técnicas avanzadas de investigación de operaciones como los "árboles de decisiones", las curvas de utilidad, la probabilidad subjetiva, etc., están permitiendo en algunos casos estimar tales beneficios.

'Este método tiene su mayor ventaja en el hecho de que los resultados se pueden entender como un retorno o desembolso que proporciona una "inversión" en el mundo de los negocios. 5.4

En el caso en que se consideran beneficios y costos se le conoce como "Método del valor presente neto", y no es más que la simple diferencia entre el valor presente de los benefi. cios menos el valor presente de los costos. Obviamente los beneficios deberán exceder a los costos si el proyecto se va a estudiar sobre un resultado positivo económico. Este método es el que se emplea en la evaluación del proyecto de carreteras frecuentemente. La ecuación para este caso se simplifica como sigue: VPN(X)

= VPBT(X, n)

- VPCT(X, n)

(17)

El método de la relación beneficio-costo tiene tal vez la más amplia aceptación y uso en el campo de las carreteras que en cualquier otro. Involucra expresar la relación entre el valor presente de los beneficios de una alternativa con el d~ sus costos, o también la relación entre el beneficio uniforme anual equivalente y los costos anuales uniformes equivalentes. Los beneficios se establecen también mediante la comparación entre alternativas y comúnmente se utiliza la alternativa cero como base de comparación. Utilizando la fórmula del valor presente neto, que es preferida por muchos ingenieros, la relación beneficio/costo puede expresarse como sigue:

Los beneficios y los costos de un proyecto son relacionados y expresados como un valor simple.

b)

Los cálculos son muy simples y directos.

e)

La respuesta se da como un pago total para el proyecto.

d)

Todos los costos y beneficios son expresados en términosmonetarios actuales.

donde: RBC(X, y, n)

= valor

presente de los beneficios y costos totales respectivamente para la alternativa X.

.

VPBT(y), VPCT(y) Los resultados en términos de una suma, pueden no ser tan fácilmente entendibles para ciertas gentes como lo es la tasa interna de retorno o un costo anual.

= valor

presente de los beneficios y costos totales respectivamente para la alternativa y.

Los cálculos de la relación beneficio-costo para un conjunto de alternativas propuestas se hacen con base en la comparación con la alternativa base o estándard. Así, aquellas alternativas que tengan una relación mayor que 1.0 se ordenan de acuerdo a sus valores crecientes. Comparando los incrementos en Jos costos y procediendo sobre la base de comparar parejas de alternativas, se busca la más económica.

'---

Método de la tasa interna de retorno

El método de la tasa interna de retorno muy utilizado en el sector de transporte, considera tanto a los costos como a los beneficios y determina la tasa de descuento o actualización a la cual los costos y los beneficios a lo largo de la vida útil de un proyecto son iguales. Puede expresarse en términos de la tasa a la cual el valor presente de los costos es exactamente igual al valor presente de los beneficios, esto es:

= VPCT(X, n)

(19)

= relación beneficio costo de la alternati-

VPBT(X), VPCT(X)

Proyectos de diferente vida útil, y etapa de desarrollo pueden ser comparables en forma sencilla y directa.

VPBT(X, n)

- VPBT(y) VPCT(X) - VPCT(y)

va X, comparada con la alternativa y (donde X conduce a los beneficios más grandes y representa la inversión mayor), sobre un período de análisis de n años.

Entre las desventajas:

5.3

=·VPBT(X)

' y,

a)

a)

n)

RBC(X

Ventajas y desventajas de método Entre ias ventajas se ·tiene:

e)

Método de la relación beneficio/costo

,.

la mayor desventaja de este método radica en la naturaleza abstracta ~el índice, el cual es difícil de comprender por sí mismo. Otra des;entaja es la posible confusión sobre si reducciones en los gastos de mantenimiento, deben aparecer en el numerador o en el denominador. Esto es, si reducciones en los gastos son beneficios o costos negativos.

(18)

5.5

Cuando se aplica este criterio, cada alternativa primero se compara con una alternativa base que podría ser la alternativa cero, es decir, no hacer nada, para así poder establecer diferencias entre los beneficios de las diferentes alternativas. Utilizando la ecuación anterior se puede entonces calcular la tasa de retorno para todas las alternativas en estudio.

El método efectividad-costo ó costo-efectividad

Este método puede utilizarse para comparar alternativas donde se tienen beneficios significativos derivados del proyecto que no son expresables en términos monetarios. Involucra una determinación de lás ventajas y beneficios que se obtendrán en términos subjetivos, por gastos adicionales. Esto requiere que se establezcan medidas subjetivas de efectividad o de beneficio, J:!Or ejemplo: índices para medir el·confort de los usuarios de autopistas y vías rápidas; índices para medir la incorporación de grupos económicamente aislados, incre-

Sin embargo, esto es sólo una comparación con la base, y es necesario también calcular la tasa interna de retorno mediante comparaciones entre pares de alternativas.

205

tos. Sin embargo, las medidas de efectividad no pueden reducirse a una base de valor presente; por lo tanto, deben ser representados o por sus valores promedio o sobre algún período o por valores en un cierto tiempo específico.

mento en el ingreso familiar en las áreas de influencia, de una nueva red de caminos, disminución de los accidentes de tránsito debidos al camino por mejoras en la educación vial, (la inversión por habitante es un ejemplo de estos índices en el caso de caminos rurales en México), etc.

Cuando se utilice más de una medida adicional de efectividad se deberán asignar pesos a cada medida, lo cual requiere de un juicio de valor o de prioridades.

.Los gastos o desembolsos en este método de análisis generalmente se expresan en términos del valor presente de los cos-

206

LA ILUMINACION DE TUNELES Y SU IMPORTANCIA PARA EL TRAFICO MOTORIZADO

Material proporcionado por el personal técnico de Philips Mexicana, S.A. de C.V., Divisón Al'umbrado.

INTRODUCCION Desde tiempos inmemoriales, los ríos y montanas han constituido siempre un obstáculo para el tráfico y la comunicación del hombre. Sin embargo, el hombre, gracias a su ingenio, ha logrado en el transcurso de los siglos salvar todas estas barreras, valiéndose de puentes, viaduCtos o túneles. Un ejemplo muy representativo son las construcciones ac· tuales de varios túneles en la república mexicana. ·

p

Fig. 1

El objetivo de estas obras siempre es una mejor seguridad y comodidad de los conductores de miles de vehículos que diariamente circulan por la red de carreteras de México, tanto en el día como en la noche, cuándo se baja la intensidad del tráfico si no se aumenta la velocidad proQ'ledio.

-El diagrama polair del luminaria. Con estas curvas se define cómo la luz sale del sistema óptico. Cada dirección dada por los dos ángulos e y ex corresponde con un valor de intensidad lumínica 1(cd = candela) (Fig. 2).

Uno de los aspectos más determinantes para una seguridad adecuada del automovilista es el sistema de iluminación del túnel. En el transcurso de esta presentación se verá la complejidad del problema de la iluminación del túnel por las variaciones en las condiciones que definen la visibilidad del conductor al momento en que se acerca al· túnel.

2.

Luz que recibe el punto P

TEORIA BASICA DE ILUMINACION

El corazón.de cada instalación de alumbrado es la fuente luminosa; la' lámpara. La lámpara, por medio de su filamento o su tubo de descarga de gas, transforma la energía eléctrica suministrada en una emisión de energía electromagnética, la luz . . -~

_Fig. 2

';

Localizac1on de los ángulos ex y

e

La cantidad de luz emitida por la lámpára, se llama "flujo lu· minoso" (lúmenes). La cantidad de luz depende del tipo y la · potencia de la lámpara utilizada.

Una vez conoc;idas las curvas fotométricas delluminario y el flujo luminoso de la lámpara aplicada, se puede calcular cuál será eJ nivel de iluminación de·cualquierpunto del plano a iluminar. -

Para un mejor control de la luz y un mayor rendimiento de ella, se instala la lámpara en un sistema óptico de un luminaria.

Este nivel se mide en Lux

= lúmenes fm2.

El nivel de iluminancia horizontal del punto P se cali:ula según:

Así se obtiene una curva óptica que resulta en más luz en el punto P. Aparte de la luz directa, L..d, llegará también un componente reflejado por el difusor y el espejo. (Como se rt;~uestra en la Fig. 1.)

EH- P

Cada lámpara puesta en su propio sistema óptico tiene sus propias curvas fotométricas.

207

=

1 (C, A2ex) cos3ex

(Fig. 3)

(1)

lp

= (\,

X EHp con EHP

Clo

=

1 (C, a) A2

= q (a,/3)

la calidad de la instalación depende de:

la luminancia promedio

Fig. 3

Nivel de iluminancia horizontal del punto P

Para obtener los valores de iluminancia promedio y las uniformidades de iluminancia, se deben calcular los valores de varios puntos P.

= ..!... E

N i=1

la uniformidad general

Uo

EH 1

El color de la luz.

N

E1 costo inicial.

(l mín.) long. (l máx.)

mín.) = (l(l P.M.)

El sistema de guía óptica.

N A2

El costo de operación anual.

Ji cos3a

la uniformidad U1

=

la calidad mínima necesaria depende de la necesidad del usuario por esto la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha definido las normas en base al tipo de calle y tráfico (Tablas 1 y 11).

E M' . rmmo E P.M.

Para la definición de la calidad de una instalación hay que calcular la visibilidad del observador.

3.

q 0 X EH

TEORIA DE ILUMINACION DE TúNELES

la correcta aplicación de la teoría anteriormente discutida, es muy complicada en el caso de túneles.

Con este criterio, la luminancia está dada por la fracción de la luz llegando en el punto P, reflejada hacia el observador e incluye el nivel de iluminancia E y la característica del pavimento qo- según:

=

Ul

(cd/m2)

Aparte de estos factores fotométricos, hace falta considerar:

- ..!..._1_ E

la iluminancia l

la uniformidad longitudinal

= =

El deslumbramiento, la luz directa que disminuye la visibilidad del conductor.

N

. El promedio

['

la alta intensidad del tráfico en los tramos de los túneles, y las variaciones sumamente grandes en las condiciones que determinan el nivel de adaptación del ojo humano antes de que entre el conductor en el túnel, hasta el efecto sicológico que se demuestra al entrar a un agujero negro, todo esto requiere de una atención especial del ingeniero en iluminación en el momento de disenar una instalación de alumbrado para túnel vehicular.

¡cdjm2)

El coeficiente de reflexión q 0 depende de: El color de la superficie. la estructura de la superficie.

El problema se divide en 4-5 etapas (Fig. 5).

la posición del observador (Fig. 4).

1.

Zona de acceso.

2.

Zona de umbral. .

3.

Zona(s) de transición.

4.

Zona interior.

5.

Zona de salida.

Cada zona tiene su criterio específico. 3.1 Zona de acceso El aspecto más importante de la iluminación de un túnel es la adaptación del ojo acostumbrado al nivel de la luz natural, al nivef relativamente bajo en el interior del túnel.

Fig. 4

El nivel al exterior puede variar entre 8 OOQ-10 000 cdfm2 (- 100 000 lux), y el nivel dentro del túnel será de 15 cdjm2

luminancia en el punto P

208

Tabla l.

Clasificaciones de las calzadas (basadas en las recomendaciones CIE)

Clase de calzada

Tipo y densidad de tráfico

Tipo de calzada

A

Tráfico motorizado pesado y de gran velocidad

Calzada con carriles Autopista sin acceso a pasos Autovías de nivel, control total· de accesos

o

"'