Métodos de Excavación de Túneles
Hipótesis de Broms
Según la hipótesis de Broms, la zona más superficial del terreno no interactúa con el pilote, limitándose a contribuir con su peso. En situaciones donde exista riesgo de socavación, se debe considerar una mayor profundidad del terreno sin resistencia. Además, no se tiene en cuenta el empuje activo, y la resistencia pasiva movilizada por el pilote se considera en un ancho equivalente a tres veces su diámetro.
Método Belga/Madrid
Este método es aplicable cuando el terreno posee la calidad suficiente para permitir la excavación parcial de la bóveda durante la ejecución de los bataches. La presencia de agua es un factor limitante.
Proceso constructivo:
- Excavación de la galería.
- Excavación de la bóveda.
- Hormigonado de la bóveda.
- Excavación y hormigonado de hastiales.
- Excavación en destroza.
- Excavación de la contrabóveda.
- Hormigonado de la contrabóveda.
- Hormigonado de la solera y colocación de la vía.
Método NATM (Nuevo Método Austriaco)
Secuencia de trabajo:
- Perforación.
- Carga de explosivos.
- Voladura.
- Ventilación.
- Carga de escombros.
- Saneo.
- Implementación del sostenimiento.
- Topografía.
- Perforación (reinicio del ciclo).
Clasificación de Tuneladoras
Rocas
- Topos: Presentan desafíos en presencia de agua a presión o en túneles profundos donde la presión puede causar estallidos en la roca.
- Escudo simple: Utiliza gatos que se apoyan en el sostenimiento de dovelas, protegido por un escudo. Ofrece mayor seguridad.
- Escudo doble: Combina el sistema de grippers de los topos con las dovelas de los escudos, aunando ventajas.
Suelos
- Escudos sin presión.
- Escudos de presión de tierras (EPB).
- Escudos de lodos (Slurry).
Tuneladoras Multimodales
Son tuneladoras capaces de adaptarse a diferentes tipos de terreno.
Justificación y Aspectos Geológicos de los Túneles
Razones para la Construcción de Túneles
- Aislamiento y protección contra condiciones climáticas adversas, sismos e impactos.
- Almacenamiento seguro de materiales sensibles.
- Minimización del impacto ambiental al reducir la alteración de la superficie.
- Solución a desafíos topográficos (aprovechamientos hidroeléctricos, desvíos).
- Creación de espacios para infraestructuras de transporte y otros usos.
Aspectos Geológicos a Definir
- Litología: Tipo de roca presente.
- Estructura: Presencia de fracturas, fallas y pliegues.
- Agua: Condiciones hidrogeológicas.
Influencia de la Geología en la Ejecución
- Excavabilidad del terreno.
- Estabilidad de la sección del túnel.
- Sostenimientos necesarios.
- Deformación del entorno.
- Entrada de agua y posibles afecciones al nivel freático.
Sismología: Conceptos y Medidas
Definiciones Clave
- Hipocentro o foco: Punto en el interior de la Tierra donde se origina la liberación de energía durante un terremoto.
- Epicentro: Punto en la superficie terrestre situado directamente sobre el hipocentro; generalmente, es donde se registra la mayor intensidad.
- Intensidad: Medida cualitativa que evalúa los daños causados por un terremoto en un lugar específico. Se determina mediante encuestas e informes técnicos. Escalas comunes: Mercalli Modificada, Medvedev, Escala Macrosísmica Europea (EMS).
- Intensidad Epicentral vs. Local: La intensidad epicentral (valor máximo) indica el tamaño del terremoto, mientras que la intensidad local refleja los daños en un punto determinado.
- Magnitud: Medida cuantitativa de la energía liberada por el terremoto.
Isosistas
Son líneas que delimitan áreas con la misma intensidad sísmica local. Los mapas de isosistas se construyen a partir de estas líneas y proporcionan información sobre la distribución de los daños y el tamaño del terremoto.
Factor de Reducción (Rd) para el CSR
El CSR (Cyclic Stress Ratio) se define como la relación entre la tensión tangencial equivalente y la tensión efectiva. Según la formulación de Seed e Idriss, la tensión tangencial máxima (Tang max) es igual a la tensión efectiva multiplicada por la aceleración máxima y dividida por la gravedad. Dado que la tensión tangencial máxima disminuye con la profundidad, se introduce un factor de reducción (Rd) de modo que: Tang eq = Rd x Tang max.
Instrumentos de Medición
Los movimientos y aceleraciones causados por un terremoto se miden con sismógrafos o acelerómetros.
Efecto de Sitio (Efecto Local)
Es la modificación de la señal sísmica debido a las condiciones geológicas y topográficas locales. La presencia de depósitos de suelos blandos sobre un sustrato rocoso puede provocar una amplificación de la señal, un aumento de su duración y una alteración de las frecuencias.
Comportamiento del Suelo: Colapso y Expansividad
Colapso de Suelos
El colapso de suelos se define como un asentamiento brusco, significativo y repentino que ocurre tras la humectación (inundación), a menudo con poca dependencia de la carga aplicada. Se presenta en:
- Suelos finos limosos con baja densidad, débilmente cementados y semisaturados.
- Rellenos mal compactados o con un contenido de humedad muy por debajo del óptimo.
Presión umbral: Es la presión mínima a partir de la cual el suelo experimenta colapso al humedecerse (observable en curvas de consolidación logarítmica). Como medida preventiva, se debe minimizar la diferencia entre la humedad óptima y la humedad real de compactación (idealmente, menos de 2-3 puntos porcentuales de diferencia). Una mayor densidad seca y una humedad cercana a la óptima reducen el riesgo de colapso.
Se considera que un suelo colapsa cuando ΔR (relación de vacíos) es inferior a un cierto porcentaje, por ejemplo, 40% o 60% en suelos granulares.
Concepto de Compactación
La compactación es un proceso que busca expulsar el aire de los poros del suelo, reorganizando las partículas para lograr una estructura más densa, con mínima o nula variación en la humedad.
Suelos Expansivos: Clima Monzónico y Saheliano
Las arcillas expansivas son suelos arcillosos semisaturados, de alta plasticidad, que experimentan cambios volumétricos significativos al humedecerse o secarse. Si se encuentran saturadas bajo el nivel freático, no presentan problemas de expansividad.
Capa activa: Es la profundidad hasta la cual se registran las variaciones estacionales de humedad.
- Clima Monzónico: Se caracteriza por estaciones bien definidas (p. ej., España). Presenta cambios estacionales de humedad. Una menor humedad inicial implica un mayor potencial de hinchamiento si el suelo se satura. La capa activa suele ser de unos 3 metros. En este clima, construir en invierno o verano tiene implicaciones similares para la estructura.
- Clima Saheliano: Existe un déficit permanente de humedad, donde la evapotranspiración supera la infiltración. La capa activa es muy profunda, y la humedad se desplaza hacia las zonas protegidas (difusión). Se produce un levantamiento gradual en forma de cúpula, que puede tardar entre 3 y 5 años en manifestarse.
Ensayos de Laboratorio
- Ensayo de Edómetro (Presión de Hinchamiento Nulo): Ensayo cuantitativo. Se aplica carga progresivamente a una muestra saturada para impedir su expansión. El proceso se repite hasta que no se observe más hinchamiento, determinando así la presión de hinchamiento nulo.
- Ensayo de Hinchamiento Libre: Similar al anterior, pero al saturar la muestra no se aplica carga inicial, permitiendo que se expanda libremente. Se mide la expansión vertical.