PROCESO CONSTRUCTIVO DE TÚNELES Y · PDF fileEn tiempos modernos los túneles se...

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA CONSTRUCCIÓN

PROCESO CONSTRUCTIVO DE TÚNELES

Y LUMBRERAS.

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

I N G E N I E R O C O N S T R U C T O R

P R E S E N T A

F E D E R I C O D O V A L I A L V A R A D O

MEXICO, D. F. 2003

AGRADECIMIENTOS:

A MIS PADRES, GRACIAS A SU AMOR, EJEMPLO Y CONFIANZA SE LOGRO ESTE OBJETIVO. CON TODO MI AMOR.

A MI ESPOSA CLAUDIA, POR TU RESPETO, AMOR Y APOYO INCONDICIONAL A LO LARGO DE ESTOS AÑOS. TE AMO.

A MIS HIJOS FEDE Y TATO CON TODO MI AMOR.

A MIS SUEGROS, CON CARIÑO.

A MIS ABUELOS.

ING. CELSO BARRERA: GRACIAS POR GUIAR LA REALIZACIÓN DE ESTE TRABAJO.

ING. FRANCISCO J. MEJIA: GRACIAS POR TODO.

ING. VICTOR CHALE: GRACIAS.

ING. Ma. EUGENIA MORENO: POR SU APOYO DURANTE TODA LA CARRERA. GRACIAS.

LIC. GRACIELA OLMOS: POR SU CONSTANTE APOYO Y AMISTAD. GRACIAS.

GRACIAS A TODOS LOS PROFESORES QUE ME BRINDARON SU EXPERIENCIA A LO LARGO DE LA CARRERA.

ING. ARTURO MATEOS. GRACIAS POR DARME LA OPORTUNIDAD DE TRABAJAR EN ESTA GRAN EMPRESA, "COTRISA".

ING. ENRIQUE LAVIN. GRACIAS POR TODAS SUS ATENCIONES.

GRACIAS AL ING. PACO BAY, POR TODA TU AYUDA.

A MIS AMIGOS Y COMPAÑEROS, SR. BAY, ING. RAUL YAHUACA, ING. SERGIO GUTIERREZ, ING. FRITZ BIELER, ING. MANUEL LOPEZ, ING. SERVANDO NOVAS, ING. CARLOS DIAZ.

A MIS AMIGOS, ALBERTO EBRARD, MOISÉS OSORIO, SALVADOR GUTIERREZ, FERNANDO OSORIO, EDUARDO FERNANDEZ Y RICARDO GUTIERREZ, POR TODOS ESTOS AÑOS DE AMISTAD.

TEMARIO;

OBJETIVO.

CAPÍTULO I .-INTRODUCCIÓN.

1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS. 1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES. 1.3 SECUENCIA CONSTRUCTIVA DE UN TÚNEL. 1.4 EXCAVACIÓN. 1.5 SOPORTE TEMPORAL. 1.6 REVESTIMIENTO DEFINITIVO. 1.7 INYECCIÓN.

CAPÍTULO II.- ESTUDIOS PRELIMINARES.

2.1 REGISTRO GEOLÓGICO. 2.2 INSTRUMENTACIÓN. 2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS. 2.4 SONDEOS. 4.1 MÉTODOS GEOFÍSICOS. 2.4.2 MÉTODO SÍSMICO. 2.5 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE TÚNELES. 2.6 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE EXCAVACIONES

SUBTERRÁNEAS. 2.7 CONDICIONES DE LA ROCA. 2.8 DIMENSIONES Y FORMA. 2.9 MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN Y SISTEMA DE SOPORTE.

CAPÍTULO III.- INFORMES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN.

3.1 REGISTRO GEOLÓGICO. 3.2 REGISTRO TOPOGRÁFICO. 3.3 REGISTRO TÉCNICO DEL PROCEDIMIENTO. 3.3.1 DE EXCAVACIÓN 3.3.2 DE REVESTIMIENTO DEFINITIVO. 3.3.3 INYECCIÓN.

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CAPÍTULO IV.- ACCESOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES.

4.1 CONSTRUCCIÓN DE LUMBRERAS. 4.2 CLASIFICACIÓN. 4.3 DEFINICIÓN DE LUMBRERA. 4.4 ROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN. 4.4.1 EXCAVACIÓN EN ROCA. 4.4.1.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ARRIBA HACIA ABAJO. 4.4.1.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ABAJO HACIA ARRIBA. 4.5 LUMBRERAS EXCAVADAS EN SUELOS. 4.5.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO POR FLOTACIÓN. 4.5.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO MEDIANTE MUROS COLADOS IN

SITU. 4.6 RESULTADOS DE INSTRUMENTACIÓN.

CAPITULO V.- EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN ROCA.

5.1 PROCEDIMIENTO CON USO DE EXPLOSIVOS. 5.2 ACTIVIDADES DEL CICLO DE EXCAVACIÓN. 5.2.1 TOPOGRAFÍA. 5.2.2 BARRENACION. 5.2.3 CARGA. 5.2.4 SECUENCIA DE ENCENDIDO DE LOS DETONADORES. 5.2.5 VENTILACIÓN. 5.2.6 REZAGA. 5.2.7 ADEME. 5.3 PROCEDIMIENTO CON TUNELEADORAS DE PLUMA. 5.3.1 CORTADOR TIPO FRESA. 5.3.2 CORTADOR TIPO DESGARRADOR. 5.4 PROCEDIMIENTO CON TOPOS MECÁNICOS. 5.4.1 ELEMENTOS AUXILIARES. 5.5 T.B.M (UTILIZADA EN EL TÚNEL No 5 DEL ACUAFERICO). 5.5.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS (T.B.M.). 5.5.2 PROCEDIMIENTO DE EXCAVACIÓN Y SOPORTE PRIMARIO.

B

CAPÍTULO VI.- EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN SUELOS.

6.1 PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL. 6.2 ATAQUE A SECCIÓN COMPLETA. 6.3 ATAQUE A MEDIA SECCIÓN. 6.4 PROCEDIMIENTO CON TUNELADORAS DE PLUMA. 6.5 PROCEDIMIENTO CON ESCUDO. 6.5.1 ESCUDO CON FRENTE ABIERTO. 6.5.1.1 CICLO DE OPERACIÓN. 6.6 ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO. 6.7 ESCUDO DE FRENTE CERRADO. 6.7.1 CICLO DE EXCAVACIÓN. 6.7.1.1 EMPUJE DEL ESCUDO. 6.7.1.2 OPERACIÓN DE COMPUERTAS. 6.7.1.3 REZAGA. 6.7.1.4 COLOCACIÓN DE DOVELAS. 6.7.1.5 APRETAR TORNILLOS ENTRE DOVELA. 6.8 ESCUDO CON PRESIÓN AL FRENTE. 6.9 AIRE COMPRIMIDO APLICADO A LAS PAREDES DE UN TÚNEL. 6.10 PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN.

CAPITULO VII.- ADEME O SOPORTE TEMPORAL.

7.0 ANTECEDENTES. 7.1 FORMAS DE PRESIÓN EN LOS TÚNELES. 7.1.1. PRESIÓN DE ROCA DEBIDA A AFLOJAMIENTO. 7.1.2 PRESIÓN REAL DE MONTAÑA. 7.1.3 PRESIÓN DE HINCHAZÓN. 7.1.4 DETERMINACIÓN DE LA PRESIÓN DE LA ROCA. 7.1.5 PRESIÓN LATERAL. 7.1.6 PRESIÓN DE FONDO. 7.2 PRINCIPALES TIPOS DE ADEME. 7.2.1 MARCOS METÁLICOS. 7.2.2 CONCRETO LANZADO. 7.2.3 CONCRETO LANZADO COMBINADO CON MARCOS METÁLICOS. 7.2.4 ANCLAS. 7.2.4.1 ANCLAS DE TENSION. 7.2.4.2 ANCLAS DE FRICCIÓN. 7.2.4.3 COMBINACIÓN DE ANCLAS CON CONCRETO LANZADO.

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CAPITULO VIII .- REVESTIMIENTO DEFINITIVO DE CONCRETO TÚNELES.

8.0 ANTECEDENTES. 8.1 CIMBRA ESTACIONARIA. 8.2 CIMBRA DESLIZANTE. 8.3 FABRICACIÓN DE CONCRETO (ELBA). 8.4 TRANSPORTE DEL CONCRETO HASTA EL FRENTE DE COLADO. 8.5 TRANSPORTE DE CONCRETO HASTA LA CIMBRA. 8.6 COLOCACIÓN DE CONCRETO. 8.7 MANIOBRA DE DESMOLDE Y CORRIMIENTO DE LA CIMBRA. 8.8 CURADO DE CONCRETO Y CORRECCIÓN DE ACABADOS.

CAPITULO IX.- INYECCIONES.

9.0 ANTECEDENTES. 9.1 INYECCIONES DE IMPERMEABILIZACION. 9.2 INYECCIONES DE CONSOLIDACIÓN. 9.3 INYECCIONES DE CONTACTO.

CAPITULO X.- ADMINISTRACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

10.0 ANTECEDENTES. 10.1 PLANEACION. 10.2 ORGANIZACIÓN. 10.3 INTEGRACIÓN O DIRECCIÓN. 10.4 COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES. 10.4.1 COSTO DIRECTO. 10.4.2 COSTO TOTAL 10.4.2.1 COSTO DE MANO DE OBRA. 10.4.2.2 COSTO DE MATERIALES. 10.4.2.3 COSTO DE LA MAQUINARIA. 10.4.2.4 COSTO INDIRECTO.

CAPITULO XI

11.1 CONCLUSIONES.

OBJETIVO

Este trabajo tiene la finalidad de concentrar la información relativa a los procesos constructivos mas utilizados en la construcción de túneles y lumbreras, así como mostrar los diferentes procesos constructivos en el desarrollo de las obras, sus diferencias y ventajas, tomando en cuenta las principales obras de esta naturaleza como son el acuaférico perimetral de la ciudad de México, el drenaje profundo, el sistema colectivo metro, el drenaje semiprofundo en el estado de México, entre otras.

Para la elaboración de este trabajo se investigo en un considerable número de libros, documentos y experiencias de profesionistas dedicados a esta rama, lo cual permitió detectar la falta de información de algunas de las obras realizadas.

El criterio será fundamental en la selección del proceso mas adecuado, lo cual determinara el resultado exitoso o el fracaso en la construcción de un túnel o una lumbrera.

Esta tesis espero sea de utilidad para los alumnos y profesionistas interesados en el tema, así como un modelo practico en la excavación de túneles y lumbreras. Considerando los casos reales que se presentan como consecuencia del subsuelo, ya que el proceso constructivo en este tipo de obras lo rige principalmente las condiciones geológicas existentes en el trazo de la obra.

Por lo anterior, es de vital importancia, antes de realizar cualquier actividad, realizar un estudio de mecánica de suelos, con una interpretación completa, clara y concisa, la que permitirá tomar precauciones durante el desarrollo de una obra subterránea.

La toma de decisiones generalmente se efectúan en el interior de la obra, o sea en el frente de excavación, lo que no da oportunidad a consultas, reuniones etc., ya que esto provocaría una perdida de tiempo considerable y como consecuencia un retraso importante en el programa de ejecución.

Esta tesis presenta las excavaciones realizadas en los diferentes tipos de suelos, el proceso constructivo, así como la finalidad de la obra y sus características.

CAPITULO I

INTRODUCCIÓN

1.1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS:

El significado de la palabra túnel, de acuerdo con la real academia de la lengua española,

tiene su origen en el idioma inglés y lo define como: Paso subterráneo abierto

artificialmente para establecer una comunicación a través de un monte, por debajo de un

río u otro obstáculo.

Como excepción a la definición anterior se comentará que la naturaleza, por medio de la

acción provocada, por la erosión marina, o bien por la acción hidráulica tanto superficial

como subterránea o a veces por la eólica, ha construido también túneles naturales a

través del tiempo, de los cuales podemos mencionar como ejemplo el que esta enfrente de

cabo San Lucas en Baja California Sur, ríos subterráneos como los formadores del río

Amacuzac en la zona de Cacahuamilpa, los túneles en las calizas cercanas a la ciudad de

Monterrey debidos a la erosión eólica en los estratos sedimentarios y los túneles en las

islas Baleares españolas que permiten la entrada durante la marea baja hasta las lagunas

interiores.

Sin embargo en el desarrollo de esta tesis se tratara sobre los túneles construidos por el

hombre.

Desde tiempos muy remotos el hombre ha construido túneles para diferentes fines que

van desde la obtención de minerales, transporte de agua potable, la disposición de aguas

residuales y la comunicación terrestre y fluvial.

En tiempos modernos los túneles se han utilizado para salvar obstáculos en líneas de

ferrocarril y en carreteras así como para servicios diversos en las plantas de generación

eléctrica. Además, en menor medida se están utilizando para fines tan diversos como

almacenamiento de petróleo, como estacionamiento de vehículos, etc.

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Los antecedentes más antiguos que se conocen sobre la construcción de túneles se

remontan hasta los tiempos prehistóricos, cuando el hombre primitivo, buscando

protección y abrigo, excavó cuevas o agrando y acondicionó algunas existentes; es el

caso de las cuevas de Altamira, en España.

El túnel más antiguo, es quizá el construido en la antigua Babilonia, aproximadamente

4,000 años, este túnel pasa por debajo del río Eufrates, comunicaba al palacio real con el

templo de Júpiter. Su longitud se estimo en un kilómetro y su sección fue rectangular de

3.6 x 4.5 m.

Para la realización de esta obra, el río Eufrates fue desviado. Las paredes del túnel se

construyeron de ladrillo, pegado con mortero y el techo fue formado a base de una

bóveda.

La habilidad de los romanos para la construcción de túneles llega años más tarde a

México a través de los conquistadores españoles quienes se dedicaron a la explotación de

minas mediante la construcción de galerías y túneles.

En lo que respecta a túneles para otras funciones, debemos referirnos a los esfuerzos que

se hicieron durante la colonia para drenar la cuenca cerrada del Valle de México.

El proyecto consistió en construir un tajo de 500 metros de longitud y la perforación de

6,600 metros de túnel con 3.5 metros de ancho y 4.2 metros de alto. La obra se realizó en

un período de 11 meses utilizando como método constructivo la excavación con pico y

pala y se construyeron numerosas lumbreras.

En el siglo XIX, el arranque de la era tecnológica y la aparición del ferrocarril con sus

limitaciones para vencer fuertes pendientes, incrementó la construcción de túneles. El

primer túnel para dar paso a un ferrocarril de tracción animal fue construido en Francia

para la línea de Andressieux en 1826.

Para la construcción de túneles debajo del Río Hudson, el coronel Haskins empleó por

primera vez el aire comprimido.

2

Posteriormente se utilizó el calor, procedimiento en que se calentaba el frente de roca con

la ayuda de fogatas y posteriormente se mojaba, provocando un cambio brusco en la

temperatura y por consiguiente un resquebrajamiento del material.

Las primeras herramientas que se utilizaron fueron el pico y la pala para materiales

relativamente blandos, y la barreta y el marro cuando la dureza del terreno era mayor.

Este procedimiento se vio mejorado con el empleo de la pólvora negra que se introducía y

se encendía en los orificios realizados con la barreta.

Al inicio de la era industrial se empezó a emplear la perforadora de vapor para ejecutar los

barrenos, siendo esta la primera maquina que se empleo en la excavación de túneles.

El descubrimiento y posterior empleo de la dinamita como elemento explosivo, vino a

mejorar los procedimientos de excavación, llegando en la actualidad a emplearse

diferentes tipos de dinamita, cuya ignición se hace con retardo de tiempos, con lo cual se

trata de optimizar tanto el consumo de explosivos, como el avance por ciclos y el volumen

de la rezaga obtenida.

El mismo proceso de barrenación ha venido mejorándose utilizando en la actualidad aire

comprimido para accionar las perforadoras, empleando aceros especiales, e insertos de

tungsteno, para obtener una mayor velocidad de penetración. Las perforadoras mismas en

los últimos tiempos van cambiando de características.

En la actualidad se emplean los escudos para materiales arcillosos o granulares.

Igualmente los controles hidráulicos para diferentes movimientos han sido un factor

importante en el desarrollo de " topos ", para la construcción de túneles en formaciones de

roca.

Un avance muy grande lo representó el empleo de equipo sobre vía para retirar el

producto de la excavación, en el que varias vagonetas son arrastradas por una

locomotora, que puede ser de combustión interna o eléctrica.

Para cargar las vagonetas se utilizan rezagadoras, generalmente neumáticas que recogen

el material del piso del túnel y lo colocan en vagonetas, sea por medio de bandas

transportadoras o a volteo.

3

La problemática que presenta el drenaje de la ciudad de México, que al estar situada en

una cuenca cerrada y no tener salidas naturales de las aguas que concurren a ella, ha

requerido para su solución de la construcción del sistema de "Drenaje Profundo", el cual

consiste en la excavación de túneles a una profundidad promedio en el área urbana de

30.00 metros.

Dadas las diferentes calidades del material por donde atraviesan los túneles, los métodos

o sistemas de excavación, también han variado. En términos generales, los sistemas de

excavación se podrían agrupar de acuerdo al tipo o método constructivo empleado, de la

siguiente manera:

1.- Excavación a sección completa con ademe primario de concreto lanzado, y/o marcos

metálicos.

2.- Excavación a media sección con ademe primario de concreto lanzado, y/o marcos

metálicos.

3.- Excavación a media sección con túneles piloto y ademes primarios de madera y

marcos metálicos.

4.- Excavación con escudo de frente abierto.

5.- Excavación con escudo de frente presurizado.

Estos métodos constructivos se utilizaron en materiales cuyo valor de soporte, al realizar

la excavación, era tal que permitía un lapso entre la excavación y la colocación del ademe

primario, sin presentar problemas de caídos.

La excavación con escudos se realiza en zonas donde los suelos por su poca cohesión

necesitan ser soportados inmediatamente a la excavación.

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El procedimiento para la utilización del escudo de frente abierto, se fue modificando de

acuerdo a la cohesión del terreno, de tal manera, para que el frente de excavación fuera

estabilizado, se requirió del empleo de aire comprimido dentro del túnel.

Este procedimiento consiste en colocar una mampara o tapón, de tal forma que el frente

de excavación quede aislado de la presión atmosférica, procediendo a inyectar aire a una

presión que estabilice el frente.

El creciente aumento de la población en la Ciudad de México, y el deterioro de los mantos

acuíferos por la sobre explotación obligada para suministrar de agua potable necesaria a

la mayoría de los habitantes y como consecuencia, el hundimiento diferencial de los

suelos de origen lacustre y zona de transición donde se tienen la mayoría de los

asentamientos de esta Capital, hicieron que las pasadas administraciones utilizaran

recursos para proyectar y construir una obra con el fin de suministrar del vital líquido a

través de un acueducto perimetral constituido en parte por túneles y el complemento por

tubería, este cauce artificial se conecta a las redes actuales por medio de diversas

derivaciones con túneles y tubería; la aportación del agua a este acueducto es por

bombeo del agua captada de la cuenca del Balsas donde es necesaria una infraestructura

constituida por presas, canales, túneles, tuberías, plantas de rebombeo y plantas de

tratamiento entre otras, a lo que se le denomina "Sistema Cutzamala". El mencionado

Acueducto Perimetral en su ramal norte esta siendo construido por la Comisión Nacional

del Agua ( CNA ), y el ramal sur por el Gobierno del Distrito Federal a través de la

Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica (D.G.C.O.H.), la que hasta el

año de 1994 se han concluido y se tienen en operación dos etapas, construidas

exclusivamente con método convencional y que en total -suman 22,107.00 metros de

túneles, 6 sifones ( estructuras con tubería metálica para la conexión entre túneles

interrumpidos por barrancas y cañadas ), y 2 lumbreras; Actualmente se construye la

tercera etapa del Acueducto Perimetral con el desarrollo de un túnel principal denominado

Túnel 5, y tres derivaciones asignadas como:

5

Derivación 3, Derivación 3A y Derivación 4. Estas tres derivaciones, más 329.70 m del

túnel 5, se excavaron con método convencional, y 9,131.45 m del mismo túnel 5 con

máquina tunelera (T.B.M.) de 3.60 m de diámetro.

1.2.- CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES :

Dependiendo de su finalidad, los túneles pueden dividirse de la siguiente manera:

túneles para tránsito:

• Ferrocarriles.

• Carreteras.

• Navegación.

• Metro.

• Peatonales.

Túneles para conducción:

• Abastecimiento de agua.

• Drenaje.

• Servicios públicos ( Comunicaciones, Energía, etc.)

• Transporte de mercancías y materiales en plantas industriales.

6

1.3 SECUENCIA CONSTRUCTIVA DE UN TÚNEL :

Las actividades principales que integran la construcción de un túnel son:

1. Excavación.

2. Colocación del soporte temporal.

3. Revestimiento de concreto.

4. Relleno de oquedades, entre concreto y relleno (inyección de contacto).

1.4 EXCAVACIÓN:

La excavación se realiza en longitudes cortas colocando en cada tramo excavado y en

forma inmediata él soporte temporal (ademe) elegido. Las actividades de excavación y

ademe pueden realizarse en forma continua cuando el equipo lo permite como en el caso

de la excavación de túneles en roca por medio de" Topos " mecánicos, o la excavación de

túneles en suelos por medio de escudos, utilizando para ambos casos generalmente

dovelas prefabricadas de concreto como elementos de soporte temporal ( Figura 1.1 ).

Si la excavación es efectuada por medio de voladuras con explosivos ( roca ), por

maquinas tuneleras (roca o suelos), o por martillos rompedores (roca o suelo ), el ademe

se instala en el tramo recién excavado repitiéndose en forma secuencial las dos

operaciones de excavación y ademe ( Figura 1.2 ).

7

1.5 SOPORTE TEMPORAL:

El soporte temporal o ademe queda instalado de acuerdo al equipo utilizado, es decir, en

forma continua o en forma intermitente.

1.6 REVESTIMIENTO DEFINITIVO :

En cuanto al revestimiento definitivo de concreto, actividad cuya función es la de soportar

en forma permanente las cargas que actúan alrededor del túnel, puede ser de 2 formas:

a) De manera simultanea con la excavación y ademe, a una distancia tal que las

actividades no se obstaculicen entre sí ( Figura 1.3 ).

b) Después de la excavación y ademe de toda la longitud del túnel, se efectúa el

revestimiento como única actividad ( Figura 1.4 ).

1.7 RELLENO DE OQUEDADES (INYECCIÓN ):

La actividad siguiente es la inyección de contacto, que consiste en rellenar por medio de

mezclas colocadas a presión a través de barrenos estratégicamente situado, los huecos

que pudiesen haber quedado entre el concreto de revestimiento y el ademe o terreno.

( Figura 1.5).

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ESTUDIO PRELIMINARES

2.1. REGISTRO GEOLÓGICO :

La exploración previa a la construcción debe de ir encaminada a obtener información de

aquellos aspectos geológicos que habrán de efectuar la operación de la construcción del

túnel.

El primer paso es establecer un marco geológico general del área, aprovechando toda la

información disponible:

Mapas, aerofotografía e información sobre la experiencia previa de tuneleo en la zona.

Además, se llevará a cabo un reconocimiento geológico general.

Así, pueden quedar establecidos los rango probables de tipos de rocas, de estructuras

geológicas, de aguas subterráneas, de grado de fracturación e ¡ntemperizacion, de

condiciones probables a nivel del túnel, así como una historia geológica tentativa.

Especial atención deberá ponerse, desde los primeros estudios a identificar y evaluar los

riesgos potenciales, los rasgos geológicos críticos, que en un momento dado, pueden

causar retrasos o paros de la obra, originando problemas de seguridad o estabilidad, o

que podrían requerir medidas especiales para continuar las operaciones de la

construcción.

Se limitara las zonas donde la información geológica es inadecuada o donde se carece de

ella.

Posteriormente se podrá elaborar un programa más detallado de exploración, enfocado a

delinear la geología faltante y a determinar, con la precisión que permita el conocimiento,

los rasgos geológicos críticos, y los riesgos que se anticipan realmente van a encontrarse

a nivel del túnel. También habrá que verificar las condiciones promedio que el túnel

encontrara durante su construcción.

9

El resultado final de un programa de exploración previa a la construcción no es solo para

obtener un resumen de las condiciones de la roca en el sitio, sino también para interpretar

estas condiciones en termino de su significado en el diseño y la propia construcción.

Este resultado es de fundamental utilidad, tanto para el cliente, el proyectista, así como

para el constructor.

Los datos de la exploración previa a la construcción se deben presentar en forma que

describan con claridad las condiciones del terreno que se prevén a lo largo del túnel, que

detallen las suposiciones que se han hecho en relación con la construcción, y que resalten

el efecto que las condiciones diferentes de la roca puedan efectuar determinados

procedimientos de excavación y de soporte.

2.2 INSTRUMENTACIÓN :

Las mediciones de los desplazamientos del suelo o roca en la vecindad de la excavación

de un túnel, nos proporcionan datos muy valiosos que permiten:

1 Modificar el procedimiento constructivo en caso necesario.

2 Verificar el soporte temporal.

3 Determinar las causas y magnitud de los movimientos.

4 Definir el efecto de los movimientos en estructuras adyacentes.

Las observaciones en excavaciones de túneles deben iniciarse con un reconocimiento

visual, ampliándolas con la instrumentación que se diseñe para definir las condiciones del

túnel durante y después de su construcción.

La importancia de la instrumentación es relevante, cuando sus resultados se interpretan

en forma rápida para el conocimiento del constructor y principalmente al ser utilizados para

realizar ajustes en los diseños y métodos constructivos.

Los dispositivos de medición de los movimientos del subsuelo, son las herramientas de la

instrumentación y su instalación debe ser durable y exacta.

10

En el caso de excavación de túneles poco profundos y primordialmente en suelos, es

conveniente efectuar una nivelación superficial cuyo procedimiento es el siguiente:

• Nivelar respecto a una cota preestablecida antes de la construcción del túnel y que

servirá como base para medidas posteriores durante y después de haber pasado el

frente de excavación.

• Tomar las lecturas de nivel a cada 10.00 metros a partir del eje del túnel y hasta una

distancia entre 50.00 y 100.00 metros. (Figura 6a).

• Las mediciones se realizan diariamente a menos que se observen desplazamientos

bruscos e importantes que justifiquen tomar lecturas a intervalos más cortos.

Los instrumentos comúnmente empleados para medir los desplazamientos son los

"extensométros" e "inclinométros" instalados y leídos desde el interior del túnel, los cuales

pueden quedar colocados antes de la excavación.

Durante la excavación y dentro del túnel se fijan estaciones para medición de

convergencias que son registradas al tomar lecturas con longimetros de precisión. ( Figura

6b).

2.3 DESCRIPCIÓN OE LOS INSTRUMENTOS :

a ) Extensométros :

Estos se colocan sobre el techo del túnel por medio de 3 perforaciones, una vertical y 2 a

45° con varias anclas para conocer deformaciones a diferentes profundidades, de ahí el

nombre de extensométros de posiciones múltiples.

El instrumento opera midiendo la variación de la distancia entre los puntos de referencia,

los cuales están conectados entre sí por un alambre acerado tensionado con un sistema

de soporte.

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La deformación total se mide utilizando un potenciómetro lineal, cuya precisión es del 0.1

por ciento.

b ) Inclinómetros:

Son instrumentos de tipo péndulo instalados en barrenos ademados con tubería de

aluminio. El péndulo queda aislado en un recipiente hermético lleno de aceite delgado lo

cual le permite no ser afectado por los cambios de temperatura durante las mediciones,

además de evitar que las deformaciones del péndulo ocurran en forma brusca.

El instrumento se desliza a lo largo de un tubo de aluminio y cuenta con 4 ranuras

diametralmente opuestas y espaciadas en ángulo recto, en las que normalmente se miden

los cambios de inclinación en varios puntos a lo largo del tubo. Dichos cambios de

inclinación permiten calcular los desplazamientos perpendiculares al tubo.

c ) Mediciones de convergencia y divergencia:

Estas se realizan por medio de longimetros de precisión.

El aparato consta de una cinta de acero "INVAR" graduado a intervalos de 5 mm y un

dispositivo en el que se fija la cinta en una de sus marcas de 5 mm. Contiene un

dinamómetro para medir tensión y un micrómetro de carátula graduada en 0.001".

La instrumentación en el interior del túnel se realiza midiendo los movimientos de

convergencia-divergencia, empleando un extensómetro con cinta "invar"; el cual consiste

en un dispositivo mecánico de alta precisión equipado con una cinta de acero inoxidable,

que se acopla en un extremo a una ancla fija en la pared del revestimiento primario del

túnel o directamente a la roca, y por el extremo opuesto al propio extensómetro el cual

también se acopla a otra ancla fija. Durante la medición, la cinta invar se hace tensar

invariablemente con una tracción constante; el aparato proporciona los movimientos

relativos entre las anclas, con una precisión nominal de 0.05 mm. y con una precisión

efectiva de 0.13 mm., para distancias menores de 10 m.

12

Para medir los desplazamientos en el interior del túnel, se coloca un arreglo que consiste

en monitorear 6 líneas de medición con seis puntos de anclaje en las zonas excavadas en

sección herradura con método convencional, y cinco puntos donde se excavó con la

máquina tunelera (TBM) en una sección circular.

Las secciones de instrumentación se instalan a cada 18 m, aunque en algunos casos

puede variar debido a las condiciones geológicas encontradas y de acuerdo al ademe

colocado.

Los puntos de anclaje consisten en la colocación de armellas de ojo abierto de 3/8" X 4",

soldadas al revestimiento primario o ancladas directamente a la roca; en el caso del

anclaje, éstas se colocan retacando un material epóxico o cemento de fraguado rápido en

un barreno previamente realizado en el revestimiento de concreto lanzado o directamente

sobre el macizo rocoso. Posterior, se empotra la armella aproximadamente unos 8 cm.

adentro del barreno relleno dejando solo afuera la parte circular del ojo de la armella,

endureciéndose el cementante en alrededor de 10 minutos, procediendo a tensar el ancla

con el aparato de medición, con lo que se corrobora un anclaje firme.

2.4 SONDEOS :

Los sondeos por lo general se justifican durante las etapas de factibilidad y de diseño, sin

embargo, en zonas donde existe una geología compleja, puede ser indicado efectuarlos

aun durante las etapas preliminares de conocimiento.

Los sondeos son medios directos y muy prácticos para tener acceso a la geología

subterránea y por lo tanto, para evaluar sus condiciones.

Como los sondeos son trabajos relativamente costosos y en ocasiones tardado, si son

muy profundos, es fundamental tratar de obtener de ellos el máximo aprovechamiento.

Debe de empezarse por especificar sondeos que fijen de común acuerdo el geólogo que

realice el estudio con el ingeniero encargado del proyecto o diseño del túnel.

13

Las muestras o corazones de roca tienen verdadero sentido obtenerlos cuando

contribuyen a la interpretación de las condiciones geológicas, conjuntamente con otras

fuentes de información como son: mapas geológicos, fotografías aéreas, pruebas

geofísicas, de presión y agua.

Se obtienen mejores y más integras muestras con brocas de diámetros grandes, que con

brocas chicas. El diámetro adecuado es el que proporciona 3" de perforación y 2 1/8" de

longitud de la muestra.

Además de las descripciones geológicas comunes, deben anotarse entre otros a el índice

de calidad de las rocas ( RQD ); el porcentaje de recuperación ; la inclinación de los

estratos, los niveles de agua, etc.

Son de gran interés todos los datos que el perforista registre sobre el desarrollo de la

perforación, como agua, gas, derrumbes en la perforación, zonas en donde se ha usado

ademe o cementación para poder seguir perforando, y zonas en las que la perforación

tiende a cerrarse.

2.4.1 MÉTODOS GEOFÍSICOS :

Estos métodos de exploración, se desarrollan principalmente con el propósito de

determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos de los

suelos.

Los métodos se han aplicado sobre todo en cuestiones de geología y minería, y en mucha

menor escala a mecánica de suelos para realizar investigaciones preliminares de lugares

para localizar presas de tierra o para determinar perfiles de roca. Los métodos son rápidos

y permiten tratar grandes áreas, pero no proporcionan suficiente información para fundar

criterios definitivos del proyecto, en lo que a mecánica de suelos se refiere. En el caso

para estudios de cimentaciones no se puede considerar que los métodos geofísicos sean

adecuados, ya que no dan una información de detalle comparable con la que puede

adquirirse de un programa de exploración convencional.

14

2.4.2 MÉTODO SÍSMICO :

Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas

vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes materiales.

Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad

de propagación varia entre 150 y 2,500 m/seg. en suelos, correspondiendo los valores

mayores a mantos de grava muy compactos y los menores a arenas sueltas; los suelos

arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las

suaves.

En roca sana los valores fluctúan entre 2,008.00m/seg.

Esencialmente el método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del

área de explorar usando una pequeña carga de explosivo.

En la zona a explorar se sitúan registradores de ondas ( geófonos ), separados entre sí de

15 a 30 metros. La función de los geófonos es captar la vibración, que se transmite

amplificada a un oscilógrafo central que marca varias líneas, una para cada geófono.

Suponiendo una masa de suelo homogénea sobre roca, unas ondas llegan a los geófonos

viajando a través del suelo a una velocidad V1; otras ondas llegan después de cruzar

dicho estrato de suelo. Hay un ángulo crítico de incidencia respecto a la frontera con la

roca que hace que las ondas ni se reflejen ni se refracten hacia adentro de la roca, sino

que las hace viajar paralelamente a dicha frontera, dentro de la roca, con una velocidad

V2, hasta ser recogido por los geófonos, después de sufrir nuevas vibraciones, para

transmitirlas al oscilógrafo.

2.5 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE TÚNELES :

El diseño de cavidades subterráneas como son los túneles, hasta hace poco era una

cuestión solo de experiencia. En las dos últimas décadas, sin embargo han aparecido

métodos de investigación de campo y técnicas de medición sistematizada, así como

nuevos métodos de cálculo, que proporcionan elemento de diseño y conducen a

estructuras subterráneas más seguras y económicas.

15

La causa principal por la que se desarrollan desplazamientos, en el terreno alrededor de

una cavidad y por lo que se generan fenómenos de presión, es la perturbación del campo

de esfuerzos en el suelo o en la roca virgen debido a la creación de una cavidad.

Cada etapa en el proceso de excavación provoca una redistribución de esfuerzos y

deformaciones en el terreno, transformando un estado de esfuerzos y deformaciones

primario, en un estado secundario.

El soporte temporal o el definitivo, tienen por objeto lograr un estado de equilibrio, primero

durante el período de construcción y después durante la vida útil de la estructura.

En muchos casos se requiere establecer un nuevo estado de equilibrio en condiciones

rigurosas de limitación de desplazamientos alrededor de la cavidad como por ejemplo en

la construcción de túneles urbanos, en los cuales los hundimientos de los edificios o vías

superficiales se deben reducir a valores muy bajos.

2.6 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS :

El sistema de soporte de un túnel y la roca circundante forman una unidad que constituye

la verdadera estructura en túneles.

En la práctica, el comportamiento de esta estructura a menudo se asocia a la naturaleza

de la presión de la roca, por ejemplo al esfuerzo efectivo de contacto entre el terreno y el

revestimiento, la magnitud, la distribución y la variación con el tiempo de la presión de roca

son índices importantes de los problemas de construcción de túneles. Sin embargo, las

deformaciones de la sección del túnel y los desplazamientos de la masa de roca así como

sus variaciones en función del tiempo, son también útiles y en muchos casos

prácticamente constituyen los únicos índices del comportamiento de la estructura.

Para proteger una excavación contra desprendimientos, controlar la presión de la roca,

limitar las deformaciones en la forma más económicamente posible, resultan a menudo los

problemas más importantes durante la etapa de construcción de túneles. Para visualizar

estos problemas, debe tenerse en mente que el comportamiento de las excavaciones

subterráneas depende esencialmente de la combinación de los siguientes factores :

16

• condiciones de la roca.

• estado inicial de esfuerzos.

• dimensiones y forma.

• Procedimiento constructivo y sistema de soporte.

2.7. CONDICIONES DE LA ROCA :

El grado de dificultad de los problemas que se pueden presentar durante la excavación de

túneles, se pone de manifiesto si se considera que los túneles pueden tener que atravesar

desde suelos sin cohesión, hasta rocas completamente sanas o cualquier condición

intermedia entre estos extremos. En trabajo de túneles los materiales no se pueden

escoger, es más éstos se van presentando de forma imprevista.

Las propiedades mecánicas de los suelos y rocas se determinan haciendo levantamientos

geológicos e investigaciones geomécanicas.

SE APRECIA EL SONDEO EXPLORATORIO, EFECTUADO DESDE LA SUPERFICIE.

17

Siempre que sea posible, esta información se debe tener anticipadamente a la

construcción. Generalmente haciendo sondeos o galerías, es posible tener acceso al

material en el sitio donde se planea efectuar la excavación subterránea. A menudo se

puede reunir la información importante haciendo inspecciones en la superficie, así como

utilizando la experiencia obtenida en construcciones anteriores bajo condiciones

geotecnicas similares.

Las propiedades de la roca determinadas a la escala de especímenes aunada al

conocimiento de la estructura del macizo rocoso, permiten conocer ciertas propiedades a

escala de construcción.

La estructura de la roca esta definida por su estratificación y sus juntas. Éstas últimas,

constituyen superficies de separación o de deslizamientos. Por lo tanto, su frecuencia y

orientación en el espacio generalmente son de gran importancia. Las pruebas del material

en el laboratorio comprenden investigaciones de mecánica de suelos, pruebas de

compresión axial, triaxial y pruebas de cortante directo a lo largo de planos débiles. Para

mejorar los métodos de investigación en algunos casos, se pueden efectuar pruebas de

carga en barrenos o excavar secciones de prueba en túneles, ya sea a escala reducida o

a escala de construcción.

El flujo de agua hacia la excavación, aun en cantidades relativamente pequeñas, puede

afectar sustancialmente el avance de la misma. El agua puede reducir la resistencia del

material disminuyendo su cohesión, o haciendo que aparezca una presión de poro que

reduce los esfuerzos normales efectivos. Al trabajar en suelos saturados se deben tomar

precauciones especiales, a menudo muy costosas, para evitar las filtraciones y estabilizar

el terreno ; por ejemplo : inyectando lechada, abatiendo por bombeo el nivel de agua,

empleando aire comprimido.

Ciertas rocas y suelos pueden expanderse, esto es, aumentar su volumen

considerablemente, debido a la absorción del agua, pudiendo llegar a provocar un notable

levantamiento del piso de un túnel.

El revestimiento en su parte inferior, al ofrecer resistencia a este efecto, puede quedar

sometido a presiones de expansión altas.

18

Muchas de las dificultades imprevistas que aparecen durante la excavación de túneles

pueden atribuirse a un conocimiento inadecuado de las propiedades del material. Las

condiciones reales de los materiales geológicos, de hecho, se conocen hasta que los

trabajos se llevan a cabo. Esto es cierto especialmente en túneles profundos, en los

cuales las exploraciones, ya sea por razones técnicas o económicas, no pueden realizarse

o solo se ejecutan hasta un cierto límite. También, basta pensar en las posibles

variaciones del material con respecto a su composición petrográfica y en su estructura,

para que resulte evidente la importancia de determinar los intervalos en que sea posible

considerar las variaciones en el comportamiento del macizo rocoso. En este caso, no solo

son importantes las consideraciones estáticas, sino también las constructivas. Mientras

mayor sea el grado de mecanización del procedimiento constructivo, mayor será la

importancia de los grados extremos en las características de los materiales, cuando estos

se presenten. Por ejemplo cuando se usa el método de escudo en suelos, si las cuchillas

de corte encuentran boleos se originará un retraso considerable, que conduce a un

incremento en el costo. Pasando a otro ejemplo, la aplicación económica de una máquina

excavadora de frente completo no solo se ve afectada por rocas de calidad pobre (rocas

con breve tiempo de autosoporte o capacidad de apoyo limitada para el avance ), sino

también en ciertas circunstancias por rocas duras.

Mientras más inciertas sean las predicciones geotécnicas, o mientras más variables sean

las condiciones de la roca, más adaptables deberán ser los métodos constructivos.

19

« " f i n 2.8 DIMENSIONES Y FORMA: © I »-> u. J U I E C A

Para establecer las condiciones de estabilidad en muchos casos es decisiva la relación

entre el claro de la excavación y el espaciamiento promedio de las juntas. Cuando el claro

D o la relación D/d ( d = altura del túnel, del nivel de suelo a la clave ) aumentan, la

influencia de las juntas se acentúa y aumenta la probabilidad de que se presente una

combinación desfavorable que pueda provocar un caído. Por este motivo, en la

construcción de túneles en áreas urbanas la excavación puede requerir consideraciones

especiales aun cuando los tramos no hayan requerido ningún tipo de soporte.

En el caso particular de suelos sin cohesión, la presión vertical sobre el revestimiento en la

clave aumenta cuando se incrementa el ancho del túnel y también, la relación del ancho

del túnel a la abertura se convierte en un factor importante. Si esta relación es mayor que

" 1 " no se puede desarrollar un efecto de arco apreciable, ni aun en roca con gran numero

de juntas. Cuando se requiere construir túneles de dimensiones considerables, esto solo

es posible, desde el punto de vista de seguridad y economía, dando una forma especial a

la excavación. Un ejemplo es el de una galería con forma de cilindro con un casquete

esférico en su parte superior. Desde el punto de vista estático, esta forma es muy

favorable ya que en sentido horizontal se tiene el efecto de un anillo cerrado y en el techo

se tiene el de una bóveda con doble curvatura.

2.9 MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN Y SISTEMA DE SOPORTE :

El método empleado para formar la excavación en sentido longitudinal y en sección

transversal, puede tener una influencia significativa en el desarrollo de la presión de roca y

en los desplazamientos de la roca circundante.

20

En el caso de un túnel la sección transversal se puede excavar como sección completa, o

dividiéndola en diferentes partes y excavándola en diversas etapas. Las dificultades que

se presentan se pueden resolver más fácilmente cuando se trabaja con secciones

menores. Así cuando las condiciones del material lo requiera, la sección transversal debe

excavarse en dos o más etapas y, el avance longitudinal puede llevarse también por

etapas.

En muchos casos la primera etapa de excavación se efectúa con bastante anticipación a

los trabajos requeridos para completar la sección, permitiendo un medio práctico para

explorar las condiciones de los materiales (roca, o suelo ).

Con respecto a los métodos de excavación convencionales, se menciona que deben

cumplir con los requisitos elementales de voladuras cuidadosamente controladas, que

provoquen la menor perturbación posible de la roca circundante. No se debe propiciar el

aflojamiento innecesario de la roca al efectuar las voladuras, ya que esto provocaría una

pérdida de resistencia considerable.

En algunos casos es necesario construir revestimientos robustos, solo porque las

voladuras fueron inadecuadas.

La ventaja indiscutible de los métodos mecánicos de excavación que no requieren

voladuras, es que ellos afectan en menor medida la calidad original de la roca en la

proximidad de la excavación.

21

CAPITULO III

INFORMES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN

3.1 REGISTRO GEOLÓGICO :

Durante la construcción se podrá hacer una comparación de las condiciones geológicas

del estudio preliminar, con las condiciones reales que se observan en el túnel. Es un

repaso ante la realidad, de los principales aspectos anotados en el informe geológico para

evaluar su validez. De esta manera, se podrán tomar nuevas decisiones en relación con la

selección del soporte en el frente con respecto a la modificación del soporte mismo, y de

algunas de las operaciones de construcción.

Se debe de observar la geología del tramo de túnel y del frente de excavación, cada ciclo

constructivo.

Los aspectos relacionados con la construcción que deberá registrarse en detalle, son los

siguientes:

• Dimensiones de la sección del túnel.

• Tipos de material excavados y señalados en un croquis de la sección.

• Grietas y desprendimientos.

• Condiciones de agua.

Conviene, además de llenar la hoja de registro con los datos anteriores, ir dibujando un

perfil geológico con datos observados en cada avance. ( Figura 3.1 ).

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3.2 REGISTRO TOPOGRÁFICO :

Este registro se llenara con datos de la brigada de topografía, que levantará después de

cada ciclo de excavación y consiste principalmente en dibujar el contorno real de

excavación y ademe logrado con el traslado de puntos tomados en campo.

Una vez dibujado, se procede a introducir los datos a la computadora la cual calculara el

área real de excavación comparándola con el área de proyecto. En caso de encontrar un

área mayor se anotara la diferencia.

Este dato nos permite tener el volumen final de concreto de revestimiento definitivo que

habrá que colocar conociendo de esta manera el costo real de dicho volumen.

El contorno de la sección obtenida con los datos de campo sirven de guía para corregir

deficiencias en la excavación, ya sea en sobreexcavacion o en protuberancias dejadas

dentro de la sección de proyecto.

En el caso de sobreexcavaciones estas serán rellenas con el concreto definitivo. En

cambio las protuberancias deberán ser removidas antes de continuar con el avance,

aprovechando instalaciones y equipo.

En cada hoja de registro topográfico se asentara el cadenamiento de la sección en

cuestión. Si hubiere alguna cavidad natural o formada por un desprendimiento y se decide

efectuar el relleno de la oquedad después del paso del revestimiento definitivo, los datos

topográficos nos señalaran el sitio y el volumen a inyectar.

Como en la mayor parte de los túneles se tiene una pendiente de proyecto que convendrá

señalar en el registro topográfico la cota del punto en que se levanto la sección.

(Figura 3.2).

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3.3 REGISTRO TÉCNICO DEL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO :

Los datos registrados irán de acuerdo a los procedimientos de construcción adoptados,

siendo tres tipos de registros principales.

3.3.1 DE EXCAVACIÓN:

A ) USO DE EXPLOSIVOS :

Se deben anotar en cada ciclo la cantidad total de explosivos utilizados en la voladura, la

carga específica, número de barrenos y profundidad ( diagrama de barrenación), avance

por ciclo, rendimiento de las perforadoras, así como de la rezaga del producto de la

excavación.

B ) TUNELADORA DE PLUMA :

Se anotara el tipo, número, distribución y dimensiones de los cortadores, avances y

tiempos del ciclo así como el rendimiento de la máquina.

C )TOPO MECÁNICO:

Los datos registrados deben mencionar el empuje y tensión del cabezal de la máquina,

tipo, número, distribución y dimensiones de los cortadores, velocidad de avance de la

máquina, y rendimiento de excavación y rezaga.

24

D)ESCUDO.

En este caso se anota la velocidad de avance del escudo, la longitud de los gatos de

empuje y número de las operaciones y los tiempos de cada una de las actividades que

componen el ciclo, anotando finalmente tos rendimientos de excavación, rezaga y ademe.

Si el sistema de excavación es con escudo de frente presurizado, además de los datos

anteriores, se asentará la presión de trabajo, y los tiempos de estancia del personal (

jornada).

E ) MARTILLOS NEUMÁTICOS Y CARGADOR :

Se anotara el número de martillos y sus características así como el avance por ciclo y

rendimientos de excavación y rezaga.

F ) MARCOS METÁLICOS :

Anotar el numero de piezas que lo forman, peso, perfil, espaciamiento, volumen de

madera de "retaque" entre marco y terreno, y tiempos de instalación.

G )CONCRETO LANZADO :

Para este punto de soporte temporal, se registrará el rendimiento de la lanzadora, espesor

del concreto, porcentaje de rebote, dosificación ( agregados, agua, y aditivo acelerante).

H ) DOVELAS DE CONCRETO :

Anotar el número de piezas que forman cada anillo, tiempo de colocación y

cadenamientos.

25

I ) ANCLAS DE TENSIÓN Y ANCLAS DE FRICCIÓN :

Se deben registrar el peso, diámetro, longitud, y número.

3.3.2 DE REVESTIMIENTO DEFINITIVO :

A ) CIMBRA ESTACIONARIA :

Se anotarán las características de la cimbra ( longitud, forma; peso ), el sistema de

suministro del concreto y de colocación, con sus rendimientos y tiempo del ciclo.

B ) CIMBRA TELESCÓPICA :

Registrar él número del módulo y sus características, la velocidad de movimiento de cada

módulo, sistema de suministro y colocación del concreto, velocidad del colado y

rendimientos.

3.3.3 INYECCIONES:

• De impermeabilización.

• De consolidación.

• De relleno.

• De contacto.

26

En cada uno de los casos anteriores quedaran asentados los siguientes datos :

• Mezcla de inyección

• Patrón de barrenacion.

• Diámetro de los barrenos.

• Presión de sellado de barrenos.

• Volumen de inyectado por barreno.

• Tiempo de inyección.

27

CAPITULO IV

ACCESOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES:

4.1 CONSTRUCCIÓN DE LUMBRERAS :

La construcción de cualquier tipo de túnel requiere de obras preliminares que de acuerdo a

las condiciones topográficas del lugar se pueden dividir en excavaciones a cielo abierto

(tajos ) y en lumbreras.

En una misma obra pueden existir las dos condiciones, ya que el cumplimiento de un

programa puede así exigirlo. Es decir, un caso sería el de construir el túnel utilizando dos

frentes, uno en cada extremo habiendo hecho tajos para llegar al portal; pero si de

acuerdo a los rendimientos esperados, no se cumple con el programa de construcción

podrá ser necesario abrir frentes intermedios haciendo uso de una o varias lumbreras.

(Fig 4.1)

Conviene al tener el caso de abrir el frente del túnel por medio de un portal, efectuar la

excavación del acceso hasta dejar un techo que no ocasione problemas de derrumbes al

inicio, aunque se puede auxiliar de tratamientos de consolidación a base de inyecciones

de mezclas con cemento, por medio de anclajes, o construyendo muros de contención a

base de concreto o mampostería.

La elección de cualquiera de los procedimientos anteriores, así como de la longitud del

tajo, dependerá de un análisis previo de tipo económico en donde los factores geológicos

y de tiempo deberán combinarse lo mejor posible.

La construcción de túneles haciendo uso de portales implica menos equipo, personal y

riesgo, por lo que el costo final del túnel en cuestión será menor.

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El equipo a utilizar en una excavación para portal dependerá del tipo de terreno, volumen

a mover y tiempo programado. Estos tajos pueden ser construidos en roca, suelo, o una

combinación de ambos. Para el caso de excavación en roca, se puede mencionar el uso

de "track-drills". Para la perforación, el uso de explosivos, y equipo de carga del producto

de la voladura, cargadores sobre orugas, palas y camiones para roca.

El inicio del túnel en el portal, exige también una consideración especial en cuanto al

soporte pudiendo ser éste a base de marcos metálicos con retaque de madera, ancla,

concreto lanzado o una combinación de ambos.

En el caso de portales'de roca será necesario, un diagrama especial de barrenación con

cargas de explosivos bien estudiadas.

En rocas si el ataque del túnel esta proyectado por algún medio mecánico (topo ), deberá

vigilarse su comportamiento al ser atacada por la máquina.

En suelos la precaución al iniciar la excavación del túnel, debe ser máxima ya sea que se

utilice escudo, máquina tunelera o martillos neumáticos, cuidando de ir soportando

adecuadamente el frente excavado conforme se avanza.

4.2 CLASIFICACIÓN DE LUMBRERAS O TÚNELES :

Generalmente se dice que un túnel es inclinado cuando su pendiente es mayor de 1.5%.

Tomando en cuenta la pendiente de un túnel se le puede clasificar en :

- Túnel inclinado : 1.5% < 55°.

- Lumbreras : > 55%.

29

r i i r 4.3 DEFINICIÓN DE LUMBRERA: Q | ^ ^ ¡ ^ J J £ Q A

La lumbrera, por definición, es una excavación vertical o inclinada, de sección rectangular

o circular, u otra según el proyecto, que se puede excavar de arriba hacia abajo o

viceversa, con procedimientos mecánicos convencionales, para dar acceso a un túnel que

se excavará a partir de la lumbrera y que le servirá para la introducción del equipo y

materiales para hacer la excavación del túnel y para la extracción del producto de la

misma.

4.4 PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN :

El procedimiento general esta fijado por el proyecto, es decir, si la lumbrera va a servir

para un desarrollo minero o dar acceso a la excavación de un túnel largo que no tiene

portales de acceso. Por otra parte si ya se tiene acceso a la base de la lumbrera en

proyecto, entonces la excavación reviste otras características, que implica la excavación

de una lumbrera piloto de dimensiones pequeñas, hasta prácticamente salir a la superficie

y posteriormente el banqueo del resto de la sección del proyecto, vaciando el producto de

la excavación por la lumbrera piloto al fondo de la misma, y cargando camiones para

sacarla al exterior.

Con objeto de comentar procedimientos de construcción empleados para la excavación de

lumbreras, se han dividido en dos grandes grupos: Excavaciones en roca y excavaciones

en terrenos suaves.

30

4.4.1. EXCAVACIONES EN ROCA ( MÉTODO CONVENCIONAL) :

4.4.1.1. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN DE ARRIBA HACIA ABAJO :

PRIMERA ETAPA :

Construcción del brocal y excavación hasta unos 25 a 30 metros. En ésta fase, una vez

excavado y colado el concreto en el brocal de la lumbrera, se procede a la barrenación a

base de las perforadoras de piso. Una vez terminada la barrenación, se hace la carga de

explosivos en los barrenos y seguidamente, se realiza la conexión eléctrica en series de

paralelo, dependiendo del número de barrenos.

Una vez que se ha retirado el equipo y el personal, se hace la voladura desde la

superficie. La ventilación en esta etapa es natural; inmediatamente después se acercara la

maquina, que en este caso es una grúa con cucharón de almeja o bien con botes

cilindricos, para la extracción del producto de la voladura.

La maquina ( grúa ) servirá en esta fase para todos los movimientos del equipo de

barrenación, instalaciones, etc. En algunos casos también se usará para bajar o subir al

personal, de preferencia desde el inicio de la excavación deberán instalarse escaleras de

caracol o de tramos inclinados y únicamente él ultimo tramo ( no mayor de 6 metros ) se

hará con escalera marina.

SEGUNDA ETAPA :

INSTALACIONES NECESARIAS :

a ) Una torre de estructura metálica o de madera, en donde quedará instalada la polea

para el cable de malacate y del que penderá el bote de rezaga adecuado. El bote del

malacate ya no baja libremente, sino con grúas de cable, sujetas en la torre a cierta altura

sobre el piso que se excava, para que no se dañen las ménsulas de soporte durante las

voladuras. ( Figura 4.2 ).

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De estas ménsulas al piso, el bote baja libremente ( 10 metros ). Por otra parte, deberá

contarse con una estructura o marco de para evitar la rotación del bote cuando este baje o

suba. En la superficie el vaciado se hace através de un canalón abatible a una tolva con

compuertas para cargar directamente a camiones. Es recomendable que cuando el bote

vacíe, el brocal de la lumbrera se cierre con una tapa de madera.

b ) Una tolva de recepción de material producto de la excavación, equipada con una criba

de rieles para separar el material grueso almacenado que descarga directamente de la

tolva por medio de una compuerta operada neumáticamente. El material fino almacenado

en la tolva se descarga también con una compuerta operada neumáticamente. La

descarga en ambos casos se hace directamente a camiones de volteo. (figura 4.3 ).

c) Instalaciones comunes en la primera y segunda etapa :

1 Planta de aire comprimido, incluyendo compresores, recipientes y tuberías de

conducción, debidamente seccionadas.

5 Almacenamiento o abastecimiento de agua para la barrenación, tuberías de

conducción.

6 Líneas eléctricas de alumbrado, debidamente identificadas, así como los accesorios,

para líneas de alumbrado adecuado en el tramo excavado, así como en la zona de

trabajo.

7 Líneas eléctricas de corriente trifásica, para el equipo de bombeo y ventilación en

general para motores de corriente alterna.

8 Línea de tubería de ventilación acoplada para evitar fugas en la misma.

9 Escaleras de emergencia de caracol o inclinada, únicamente deberá haber un tramo de

6.00 metros, de escalera marina para llegar a la zona de trabajo.

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4.4.1.2 PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN DE ABAJO HACIA ARRIBA :

PRIMERA ETAPA :

Cuando la excavación hacia arriba ( contrapozos ) es la fase inicial del procedimiento, es

decir, se excava una lumbrera cuya sección queda dentro de la sección definitiva.

SEGUNDA ETAPA:

Al llegar este contrapozo a la superficie se inicia el banqueo de arriba hacia abajo, tanto el

producto de la excavación en contrapozo como el banqueo, se recogen en la parte inferior

de la lumbrera en el piso del túnel, de donde se cargará a camiones que transportarán

este producto al exterior.

En los dos tipos de excavación hacia arriba existen dos procedimientos generales que

son:

a) Convencional clásico.

b) Mecanizado.

El equipo que normalmente se utiliza en este tipo de excavaciones es el siguiente :

Convencional:

• Perforadoras.

33

Mecanizado :

• Perforadoras con brocas especiales para barrenos.

• Perforadoras con broca de gran diámetro.

En este sistema, con una perforadora se perforara un barreno piloto desde la superficie,

una vez comunicada esta perforación en la parte inferior, se montará la broca sobre una

rueda giratoria. En estas condiciones se recortara la barra o eje de giro desde la

superficie. En este caso el barreno piloto sirve para dar paso a la barra de giro

exclusivamente.

Si se hace la perforación de este barreno piloto de mayor tamaño, entonces la perforadora

principal avanzará autosoportandose en las paredes de la excavación terminada y la

rezaga caerá en el fondo de la excavación, atraves de la lumbrera piloto.

4.5 LUMBRERAS EXCAVADAS EN SUELOS:

4.5.1 PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN POR FLOTACIÓN:

Consiste en la excavación de un brocal perimetral, en el cual se realizan perforaciones

ademadas con bentonita; una vez completado el anillo perimetral con las perforaciones

llenas de bentonita, se procede a excavar el núcleo de la lumbrera mediante una grúa con

cucharón de almeja que va extrayendo la arcilla; al mismo tiempo, la excavación se va

llenando con lodos bentoniticos para evitar una falla de fondo. A medida que la lumbrera

se profundiza, se aumenta la densidad de lodos de bentonita para lograr un equilibrio entre

las presiones de las paredes de la lumbrera y la presión del lodo. Las paredes de la

lumbrera son previamente excavadas con una maquina de rotación para limitar el pozo de

la misma. Una vez excavada la lumbrera, se procede a colar en la superficie una parte de

los muros laterales y la losa de piso de la lumbrera, que son ligeramente menor en

diámetro que la excavación; el fondo de la lumbrera así colado, se va bajando, y se van

34

colando segmentos de muros a medida que esta bajando en la excavación, flotando

dentro de los lodos bentoniticos.

Llega un momento en que la flotación de la lumbrera es tal que impide que esta baje; en

ese momento se empieza a llenar la lumbrera en el interior, con agua, para darle mayor

peso y provocar que baje; ( figura 4.4 ) Sé continua bajando la estructura de concreto

hasta asentarla en el fondo; en ese momento se termina la construcción, llenando el

espacio entre concreto y suelo con inyecciones de cemento. (figura 4.5 )

4.5.2 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO MEDIANTE MUROS COLADOS IN SITU :

Primero se colocan los brocales de la lumbrera en la superficie, los cuales coinciden con

los muros de ademe de la propia lumbrera; a partir de estos brocales como guía, se hacen

cuatro perforaciones para limitar los tableros de los muros; una vez efectuadas las

perforaciones externas, se procede a excavar un cuadrante de los muros de la lumbrera

mediante una grúa equipada con almeja; esta perforación se realiza hasta 2 o más metros

mas debajo de la profundidad de excavación, para permitir que el azolve se deposite en el

fondo y el concreto llene el espacio excavado para los muros hasta el fondo de la

lumbrera. Aunque los muros no son perfectamente circulares, se forma un prisma con

bases poligonales de 16 lados iguales; al mismo tiempo que se va excavando cada uno de

estos lados, se va llenando con lodos bentoniticos para estabilizar la perforación y evitar el

cierre de la misma por falla de las paredes de arcilla; Una vez llegada a la profundidad

deseada, se hace una limpieza general del muro, se introduce la parrilla que forma el

armado o refuerzo de concreto y se realiza el colado.

En los extremos de cada cuadrante, previamente al colado, se introducen unos tubos que

limitan al cuadrante, los cuales se van extrayendo a medida que el concreto endurece,

para que en esta forma quede una media caña al extremo del muro; se procede de

idéntica forma en los módulos restantes hasta completar la lumbrera; en las juntas de

colado se dejan unos tubos de inyección para garantizar un sello perfecto entre los

cuadrantes de la lumbrera.

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A continuación se excava el corazón de la lumbrera entre los muros de ademe; una vez

llegando al piso de la lumbrera se cuela el fondo de ésta, y si es necesario se da un

recubrimiento adicional de concreto para garantizar su verticalidad y estabilidad.

(figura 4.6).

4.6 RESULTADOS DE LA INSTRUMENTACIÓN EN LUMBRERAS FLOTADAS :

El éxito de la aplicación de este método se ha comprobado no solo en la cantidad de

lumbreras construidas, sino a través de los resultados de la instrumentación en las

mismas. Como ejemplo se describen las mediciones obtenidas en las lumbreras utilizadas

como cárcamo de bombeo, de rejillas, y de control, pertenecientes a la planta de bombeo,

localizada en la zona donde el subsuelo se clasifica como de transición baja, por estar

cerca de la llamada zona de lago.

En el perfil estratigráfico típico de esta zona, se distingue un estrato superficial de rellenos,

limos, arenas y arcillas en los 10.00 metros iniciales, y un estrato de arcillas blandas y

limos arcillosos en los 15 metros restantes. A partir de 25.00 metros de profundidad y con

un espesor mayor a 7.5 metros, se encuentra la primera capa dura.

La instrumentación consistió en inclinómetros, piezómetros de respuesta rápida y abiertos,

y bancos de nivel superficial; con las cuales se obtuvieron mediciones durante el período

de construcción de las lumbreras, que fue de un año aproximadamente.

Los inclinómetros instrumentados para cuantificar los desplazamientos horizontales que el

suelo vecino experimenta al efectuar la excavación de la lumbrera, registraron

movimientos máximos de 6 y 4 centímetros, a 18 metros de profundidad y 9 metros

respectivamente.

Estos desplazamientos representan deformaciones unitarias del suelo del orden de 0.3 a

0.4 %, valores mucho menores al 1%, rango teórico a partir del cual las arcillas del Valle

de México alcanzan el limite de falla.

Las ultimas mediciones indicaron que existe una tendencia a la recuperación parcial del

suelo, una vez inyectada la zanja anular.

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Por otra parte los piezómetros instalados a 14.5 y 20.0 metros de profundidad, registraron

leves incrementos de 0.2 a 0.4 kg/cm2 en la presión de poro durante las etapas de

excavación, estabilizándose nuevamente al inicio de la inyección de la zanja anular.

El nivel freático permaneció estable en todas las etapas.

Las lecturas de los bancos de nivel demuestran que los desplazamientos verticales en

superficie fueron insignificantes, ya que se presentaron asentamientos y expansiones

menores a 1.0 centímetro. De esta manera, con las mediciones obtenidas en la

instrumentación, se ha comprobado la eficiencia de este procedimiento constructivo de

lumbreras en suelos blandos.

(figura 4.7).

37

CAPÍTULO V

EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN ROCA

5.1 PROCEDIMIENTO CON USO DE EXPLOSIVOS.

La excavación por medio de explosivos, en túneles implica la repetición de una serie de

actividades que forman un ciclo de trabajo, cada una de estas actividades tienen un

tiempo de duración. Ajgunos están basados en la experiencia, y otros depende de la

sección transversal del túnel, número de barrenos, profundidad de barrenacion,

abundamiento de la roca después de la voladura, cantidad de explosivos, rendimientos de

maquinaria, etc.

5.2 ACTIVIDADES DEL CICLO DE EXCAVACIÓN.

1.-Topografía.

2.- Barrenacion.

3.- Carga y Voladura.

4.- Ventilación.

5.- Rezaga.

6.- Ademe.

5.2.1-TOPOGRAFÍA:

Esta actividad se refiere al control topográfico dentro del túnel y consiste en señalar línea y

nivel para cada ciclo.

Para ello la brigada de topografía llevará al frente, los datos de pendiente de proyecto y el

eje del túnel que puede ser una línea recta, curva circular, etc. Los aparatos topográficos

necesarios son él tránsito y el nivel.

38

Con pintura se dibuja el perímetro de la sección en el frente de trabajo señalando los ejes

vertical y horizontal, al inicio del tramo conviene señalar con puntos de pintura los lugares

de los barrenos que corresponden al diagrama proyectado.

Esto se hará unas cuantas veces hasta que los perforistas conozcan perfectamente la

posición de sus barrenos.

Ya que en términos generales la profundidad de barrenación varia entre 1.00 y 6.00

metros, el avance por ciclo será del mismo orden, por lo que el control topográfico deberá

repetirse de acuerdo al avance obtenido en cada ciclo.

Es conveniente efectuar verificaciones de la línea y nivel del frente, a cada 30.00 metros

basándose en datos obtenidos en superficie, por medio de orientaciones astronómicas y

con aparatos de mayor precisión (distanciómetros ).

El uso del rayo láser dentro del túnel para indicar datos topográficos en el frente, reduce

finalmente el costo de la brigada topográfica.

El tiempo estimado en señalar línea y nivel en el frente es de aproximadamente 15

minutos.

Otras de las funciones de la brigada de topografía es la de tomar datos de varios puntos

del perímetro de la ultima sección excavada para dibujar de inmediato en papel dicho

perímetro a escala y detectar sobreexcavaciones que quedarán dentro de la sección de

proyecto. En el caso de sobreexcavaciones, se tomarán medidas correctivas en la

barrenación y/o carga de los explosivos; en el caso de peines, deberán efectuarse de

inmediato ya que posteriormente, será más costoso por tener las instalaciones alejadas.

El grupo de secciones de cada ciclo, servirá posteriormente para él cálculo de los

volúmenes de concreto real en el túnel de un revestimiento definitivo con ese material, y

consecuentemente él cálculo de los volúmenes de agregados, cemento, etc; así como,

rendimientos necesarios de colocación del concreto, de acuerdo a programa.

39

O T 5.2.2.-BARRENACIÓN: B ¡ ¡^ -T- -

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La barrenación se ejecuta con máquinas que pueden ser perforadoras neumáticas

manuales, perforadoras neumáticas montadas sobre brazos hidráulicos, o perforadoras

hidráulicas.

El número de perforadoras depende de la sección del proyecto y de la mayor parte del

equipo con que se cuenta en la obra.

Para el cálculo de la barrenación podemos basarnos en lo siguiente:

NB xPB

TB =

Nq x rq

TB = Tiempo de barrenación ( hrs ).

NB = Número de barrenos.

PB = Profundidad de barrenación. ( metros ).

Nq = Número de perforadoras.

rq = Rendimiento de cada perforadora ( m/hr).

5.2.3.- CARGA :

Incluye el sopleteo de barrenos, colocación del explosivo dentro del barreno, conexiones

de los detonadores, conexión en línea de tronada, y voladura desde el interruptor o de

corriente eléctrica.

Al utilizar cartuchos o bombillos explosivos, será necesario un detonador que irá colocado

uno en cada barreno y dentro de uno de los cartuchos, dejando sus alambres en el

exterior de dicho barreno para después ser interconectados con el resto de los alambres.

Los circuitos quedan conectados en paralelo y finalmente dos terminales se unen a cables

o, alambres de menor calibre que llegan a la línea de corriente.

40

Es importante hacer notar que nunca se deberá simultáneamente estar barrenando y

cargando con explosivos los barrenos ya terminados.

Al hacer la voladura con emulsiones explosivas, se realiza la barrenación a la profundidad

deseada, 1.2 a 1.5 normalmente, haciendo el circuito con primacord el cual va ligado a los

estopines, los cuales están introducidos dentro del cartucho, posteriormente se coloca un

fulminante explosivo al cable primacord que hará que se detonen los estopines, que a su

vez detonarán a los cartuchos, por ultimo se coloca la cañuela, procurando una longitud

suficiente para tener el tiempo necesario para alejarse antes de la detonación.

El tiempo de carga de los explosivos en el frente, varía con la habilidad de los pobladores,

que generalmente son los mismos perforistas. Sin embargo, una receta aproximada es la

siguiente:

S

Te =

NPxK

Te = Tiempo de carga. ( hrs ).

S = Kg. de explosivo.

NP = Número de pobladores.

K = Rendimiento del poblador. (aproximadamente 20 Kg/hr).

La perforación de la roca en los túneles se realiza efectuando una serie de barrenos en los

que se coloca el explosivo junto con los detonadores. Los barrenos y su orden de

encendido se disponen según un plano previamente proyectado ( diagrama de

barrenación).

Los primeros barrenos tienden a crear un vacío hacia el cual se vuela sucesivamente el

resto de la roca. Esta abertura es llamada cuña y se puede considerar la primera que

rompe o fractura la roca. Los modelos de cuñas o cueles quedan formados de acuerdo a

la disposición de los barrenos, siendo las principales las cuñas en abanico y cuñas

paralelas o cilindricas.

41

Las siguientes fases de la voladura deben proyectarse para obtener el contorno deseado.

En cuanto a la carga específica, ésta aumenta al disminuir el área del frente por estar más

confirmada la roca.

CUÑA EN ABANICO:

Este tipo de cuele o cuña esta formado por barrenos que forman un abanico. La

distribución irregular de la perforación y la necesidad de una planificación de

profundidades de los barrenos, han hecho que en la actualidad haya disminuido su uso.

( Figura 5.1 ).

CUÑA EN "V":

En un cuele o cufia en "V", es muy utilizado en la excavación de túneles, aunque para ello

se necesita una cierta anchura del túnel para lograr un buen avance. La precisión de la

perforación influye en el resultado de la voladura. Es importante hacer notar que el ángulo

del vértice interior de la cuña debe de ser mínimo de 60° ( Figura 5.2 ).

CUÑA EN PARALELO:

Todos los barrenos son paralelos entre sí y la rotura tiene dirección hacia un barreno con

carga que sirva de abertura inicial, ya que el barreno vacío es de un diámetro mayor que

los demás, estos se denominan cueles o cuña de gran diámetro, podemos mencionar tres

tipos de cuñas de barrenos paralelos: cuña quemado, cuña cilindrico y cuña en cráter.

En la cuña quemado, la apertura tiene lugar hacia uno o varios barrenos vacíos.

En la cuña cilindrico, la apertura es ejecutada hacia un barreno vacío de tal forma que la

cuña se abre progresivamente al detonar las primeras cargas, esta se desarrolla en toda

su longitud quedando limitado el avance por la desviación de los barrenos.

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En el cuele de cráter consiste en una o varios barrenos cargados cuya velocidad se

efectúa hacia el frente del túnel. (figura 5.3 ).

5.2.4 - SECUENCIA DE ENCENDIDO DE LOS DETONADORES:

La mayor eficiencia en el desprendimiento completo de la roca se obtiene al aplicar el

principio de rectangularidad para indicar las líneas supuestas de ruptura. De esta forma y

por lo queda definida la secuencia de encendido que debe usarse.

Los barrenos de cuña deben ser los primeros en detonar, para crear el vacío hacia el cual

se volverá sucesivamente el resto de la roca. Así la elección de tiempos en los

detonadores debe seguir esta secuencia.

5.2.5 -VENTILACIÓN:

El trabajo de excavación en túneles requiere el suministro de aire fresco en el frente de

excavación, que es el lugar donde se encuentra laborando la mayor parte del personal.

Además, en el caso de túneles en roca, después de la voladura habrá que extraer los

gases de los explosivos. El gasto del aire fresco se calcula de acuerdo al número de

personas, cantidad de explosivos, maquinaria en el túnel, y se toma en cuenta la sección

transversal del túnel.

El aire se suministrará desde el exterior del túnel haciendo uso de ventiladores de motor

eléctrico, y tubería de lamina engargolada de lona o plástico. Una vez calculado el flujo

requerido, se elige el ventilador adecuado y se obtiene el diámetro de la tubería y

separación entre ventiladores.

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5.2.6 - REZAGA :

Esta actividad consiste en remover los escombros del material producto de la voladura, y

que comúnmente se llama rezaga.

La duración de esta actividad depende de la sección del túnel, profundidad de

barrenacion, coeficiente de abundamiento de la roca, y la precisión en la ejecución de los

barrenos, ya que esto ultimo podría redundar en un incremento del volumen de roca

extraído del frente, y finalmente del rendimiento de la maquina rezagadora utilizada.

La rezaga se carga en vagonetas camiones en caso de portales, o la base de la lumbrera

en donde se extrae a superficie generalmente por medio del sistema de torre y malacate.

( Figura 5.4 y 5.5 )

5.2.7 ADEME:

No siempre esta actividad forma parte del ciclo, ya que si se tratara de un soporte de

concreto lanzado en un túnel, cuya sección sea lo bastante amplia, podría ejecutarse

simultáneamente con la rezaga.

En túneles de sección pequeña el tiempo del ademe depende del tipo de soporte, que bien

puede ser con marcos metálicos, con retaque de maderas, concreto lanzado, anclas o una

combinación de estos.

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5.3 PROCEDIMIENTO CON TUNELEADORA DE PLUMA :

Consiste en excavar una longitud de túnel tal que se pueda autosoportar mientras se

coloca el ademe, utilizando como elemento principal una cabeza cortadora montada en el

extremo de un brazo o pluma.

Básicamente consiste en un aparato autopropulsado, con motores eléctricos, que tiene

una pluma oscilante en todas direcciones en cuyo extremo se encuentra un cortador; El

material desprendido cae en una charola en donde es empujado hacia una banda

transportadora por unos brazos móviles.

De la banda transportadora puede pasar a un sistema de carga de vagonetas similares al

del topo o bien cargarse a vagones de otro tipo.

Ingenieros Húngaros, Austríacos y Rusos produjeron la primera generación de este tipo de

máquinas, entonces relativamente ligeras ya que pesaban entre 5 y 17 toneladas con

motores para movimiento del cortador de 50 H.P. Se diseñaron para cortar rocas medias,

con esfuerzo de ruptura menores a los 400 Kgs/cm2, aprovechándose en explotaciones de

carbón, arcillas y materiales suaves.

Una segunda generación de maquinas se desarrollo con el objeto de cortar rocas mas

duras, con esfuerzos de ruptura del orden de los 800 Kgs/cm2.

El peso de estas máquinas esta comprendido entre las 20 y 30 Tons y la potencia del

motor del cortador alcanza los 130 H.P.

La mayoría de las máquinas de esta segunda generación fueron desarrolladas entre 1970

y 1972.

En 1973 se empezó con lo que puede considerarse la tercera generación de máquinas

mineras, la pluma ya que las anteriores no son lo suficientemente poderosas que las

anteriores para atacar los estratos duros que se encuentran en formaciones carboníferas.

45

5.3.1 CORTADOR TIPO FRESA:

En este tipo el cortador cilindrico o cónico gira sobre un eje que es el mismo de la pluma,

en estas condiciones, la fuerza cortante se ejerce principalmente a los lados, lo que

impide usar el peso total de la maquina en el ataque.

Cuando la roca es relativamente dura, la máquina necesita ser empujada lateralmente con

gatos especiales.

El cortador de fresa arroja los trozos de roca cortados del frente hacia los lados lo que

complica el acarreo de la rezaga hacia la banda transportadora.

5.3.2 CORTADOR DESGARRADOR :

En este tipo el eje del cortador es normal al eje de la pluma, por lo que todo el peso de la

maquina y el empuje dado por sus cuchillas pueden utilizarse para efectuar el ataque en el

frente de excavación.

Además, un 80% de la roca triturada es arrojada a la charola y transferir a la banda

transportadora.

En términos generales, el cortador por desgarramiento produce un 30% mas de material

que el tipo fresa, por lo que se prefiere el primero, aunque, hay máquinas en las que los

cortadores son intercambiables.

Tanto el cortador tipo fresa como el desgarrador, producen polvo durante el ataque, el cual

genera un problema que aun no se ha resuelto, ya que no se puede colocar una pantalla

que aisle el frente de la excavación, por lo tanto, se requiere una ventilación excelente.

Ambos cortadores están formados por cuerpos masivos que tienen los elementos

cortantes o dientes colocados siguiendo espirales, los cuales están fabricados de

carburotungteno, y son reemplazables.

En el caso del desgarrador, el corte es producido por los dientes al incidir sobre la roca

teniéndose, una fuerza debida a la tensión producido, por el motor al cortador. Esta fuerza

puede variarse con el empuje dado por un gato ( Fig 5.6 ).

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Como la pluma puede oscilar horizontalmente, es posible aplicar fuerzas horizontales que

ayudan al proceso de ruptura saliendo el material en forma de lajas de diferente forma.

Si la roca es suave un buen número de dientes están en contacto simultáneo con el frente

de excavación y la producción aumenta.

Si la roca es muy dura, el operador de la maquina puede hacer que un solo diente esté en

contacto, concentrando en él las fuerzas vertical y horizontal.

Como en el caso de un topo, la producción o rendimiento de la máquina depende en forma

importante del grado de fracturamiento de la formación.

A continuación se dan las características de una máquina de tipo medio:

TIPO CORTADOR:

• Potencia motor cortador.

• Peso de la máquina

• Diámetro del cortador

• Número de dientes

• Máximo de dientes apoyados simultáneamente

• Máxima fuerza de reacción por diente

• Máxima potencia por diente

El ciclo de trabajo queda integrado por:

1.- Excavación y,

2.- Rezaga.

La excavación y rezaga puede ser efectuada por la misma tuneleadora cuando se cuenta

con sistemas incorporados, o puede ser necesaria una máquina independiente para la

carga de la rezaga.

160 K.w.

45 tons.

940 mm.

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160 K.w.

47

5.4 PROCEDIMIENTO CON TOPOS MECÁNICOS :

Una variante de excavación de túneles en roca es el uso de topos mecánicos cuando el

material por atacar consiste en una roca competente y buena capacidad para

autosoportarse, maquinas perforadoras de agarre lateral.

Las paredes de la excavación deben tener la capacidad de carga necesaria para soportar

el empuje de los carros de agarre que permiten el empuje longitudinal sobre la cabeza

giratoria de la perforadora.

Teóricamente el avance es continuo ya que simultáneamente con la excavación se coloca

el ademe detrás estas máquinas.

A este tipo de máquinas se les conoce con el nombre de "TOPOS".

Un topo consiste en lo siguiente :

Un cuerpo metálico muy robusto que se atraca contra las paredes de la excavación por

medio de gatos hidráulicos, una cabeza giratoria con un número variables de cortadores

que también giran sobre su propio eje, un sistema de gatos que produce una presión de

los cortadores de la cabeza giratoria sobre el frente de excavación.

El giro de la cabeza cortadora se efectúa por medio de motores, electrónicos o hidráulicos,

que accionan sobre una corona ligada a la cabeza por medio de una flecha.

En la mayor parte de los topos los motores se encuentran en la parte posterior,

desplazándose junto con la cabeza al accionar los gatos de empuje, en cada empuje el

avance es de 60 cms.

Los cortadores que se encuentran en la cabeza presionan contra el frente girando su eje y

produciendo un corte en el mismo. La roca se fractura cuando el esfuerzo producido por el

filo de un cortador excede al de ruptura de la misma.

48

Los cortadores pueden tener, 2, y hasta 7 pistas cortantes por lo que en el frente se tiene

una serie de opciones de corte separados 2, 3, 5 o más centímetros. El producto del corte,

en este caso la rezaga, esta constituida por lajas y, dependiendo del tipo de roca, de un

gran porcentaje de finos. Los cortadores perimetrales están protegidos por unos

raspadores que están colocados delante de ellos e impiden una acumulación de material

suelto, principalmente en el piso del túnel. La cabeza tiene unos cangilones que recogen

la rezaga y la depositan en una banda transportadora, que se encuentra en la parte

superior del topo, y que la conduce hasta la zona de carga a las vagonetas o camiones

detrás del topo.

Una pantalla aisla la cabeza giratoria del cuerpo del topo para evitar en lo posible el polvo.

Se rocía agua sobre el frente de la excavación con el fin de bajar la cantidad de polvo, así

como lubricante.

5.4.1 ELEMENTOS AUXILIARES:

El topo esta provisto en su parte superior de una banda transportadora de rezaga que es

cargada por medio de los cangilones de la cabeza y descarga en la tolva donde otra

banda transportadora, que puede ser de aproximadamente 100.00 metros de longitud

colocada sobre una estructura metálica formada por marcos transversales unidos entre sí.

La estructura esta provista de ruedas que se apoyan sobre rieles separados de los marcos

metálicos aproximadamente a 2.10 metros, de manera que las vagonetas extractaras de

rezaga, puedan ser de una capacidad de 10 m3.

Este sistema de carga de rezaga es bastante eficiente, y puede utilizarse en un sistema

convencional en donde el topo es sustituido por un jumbo de barrenación, haciéndose la

carga a la banda por medio de una rezagadora.

49

B 1 WJ i.= - J • ¿. C A Aproximadamente a 10 metros del la parte posterior del topo se dispone de una estructura

con brazos hidráulicos con el propósito de colocar el revestimiento del túnel, que puede

estar formado por anillos de concreto reforzado.

Toda la estructura que soporta la banda transportadora, así como el jumbo colocador de

dovelas, transformadores, soldadores, etc, es arrastrada por el topo cuando este es

colocado en posición de ataque al frente de excavación.

La energía eléctrica es conducida en 4,160 volts hasta un transformador que viaja con el

topo, mismo que baja la corriente a 440 volts para alimentar los motores del mismo y otro

que la baja a 110 volts para la iluminación del remolque con la banda, y el uso de

herramientas eléctricas.

Además de los motores que hacen girar la cabeza cortadora, se tienen motores para las

bombas del sistema hidráulico que accionan los gatos de empuje y atraque,

motorreductores de las bandas y motor de la bomba de agua.

El operador del topo lo coloca en posición por medio de los gatos de atraque, y ataca

haciendo girar la cabeza y empujándola contra el frente de excavación. El par de torsión

debido al corte lo controla con el amperímetro de los motores de giro.

El empuje se mide con un manómetro donde se indican las fuerzas a la presión.

El alineamiento de la máquina se debe llevar por medio de un rayo láser y es necesario

tener operadores cuidadosos ya que al salirse de la línea, habrá que describir curvas

grandes para no trastornar la operación de la banda transportadora.

El topo tiende a deviarse hacia algún lado dependiendo del sentido de rotación de la

cabeza.

El polvo del frente de excavación es extraído por ventiladores ( extractores ) de gran

capacidad.

En el caso de presentase alguna falla en el terreno pueden colocarse marcos metálicos

circulares colocándose en la zona ocupada por el topo, dejando espacio para el apoyo de

las patas de ataque.

50

En terrenos fracturados que producen piedras grandes, mayores a 25 centímetros, estas

pueden atorarse rompiendo los cangilones o bien la tolva de la banda transportadora del

topo.

Para minimizar los daños al sistema de rezaga, es conveniente el poner una rejilla

protectora que gire junto con la cabeza cortadora y que permita el paso de fragmentos de

roca que pueda asimilar el sistema de rezaga. Los cortadores sobresalen de esa rejilla

más o menos 3 centímetros. Además, es conveniente que por el sistema de rezaga quepa

el mayor tamaño posible de roca.

CORTADORES:

Se puede considerar a los cortadores como los elementos más importantes de la máquina.

Hay dos tipos de cortadores:

1.- Con anillos lisos con endurecimiento superficial.

2.- Con anillos de carburo tungsteno.

En ambos casos el cuerpo del cortador es de acero forjado de gran dureza y gira sobre

baleros, en una flecha sostenida en sus extremos por una silleta fija con la cabeza

giratoria del topo.

El cortador es cónico, cilindrico y su diámetro es variable ( aproximadamente 25

centímetros).

Los cortadores están colocados de modo que sus filos describan circunferencias

concéntricas con la menor separación entre ellas. Uno de los cortadores de forma especial

queda en el centro.

51

En el caso del cortador con anillos, éstos pueden estar forjados de una pieza con el

cuerpo del cortador o pueden ser colocados a presión y con punto de soldadura. Él

número de anillos en un cortador puede variar de 1 a 5 o más pero en cualquier caso, su

sección es triangular y el filo cortante es endurecido superficialmente hasta alcanzar su

dureza optima.

Estos cortadores de anillo o disco se ven y operan como una cortadora de vidrio, el

empuje del cortador contra la cara de la roca hace saltar esquirlas a ambos lados. Se usan

principalmente en rocas suaves o circunferencias Inferiores de rocas medias o duras.

Los cortadores de carburo de tungsteno pueden a su vez ser de 2 tipos:

DENTADOS : Con insertos grandes, con forma parecida a los antes descritos o con

botones de carburo de tungsteno. Estos cortadores causan la fractura creando esfuerzos

concentrados muy altos en la punta del diente.

CORTADORES : Los que ocupan la posición mas crítica son los de la periferia, ya que

van formando la pared y el frente de excavación, son los que mayor velocidad lineal tienen

pero pueden cambiarse a posiciones inferiores y ahí terminar su vida útil.

52

5.5 MAQUINA TUNELERA ( T.B.M.):

( UTILIZADA EN EL. TÚNEL # 5 DEL ACUAFERICO )

El equipo de tuneleo integral TBM" DS.364 o máquina tunelera "topo", es una herramienta

de tipo mecánico para la excavación de túneles en roca y tiene la versatilidad de poder

conformar la estructura del túnel de manera simultánea con la colocación de anillos de

dovelas o bien con dispositivos de perforación para anclaje. La máquina tunelera que se

utilizó para la excavación del túnel # 5 fue diseñada en especial para esta obra, de donde

considerando la presencia de andesitas, basalto y formaciones mixtas de basalto con

escoria volcánica, por lo que cuenta con innovaciones tecnológicas en materia de

construcción de túneles. Por ejemplo, una de las innovaciones es la geometría plana del

cabezal cortador, con lo que se pueden realizar cortes en la escoria en forma vertical, de

tal manera que no cargue la arista de perforación.

MAQUINA TUNELERA ( T.B.M.)

AJUSTES FINALES DE LA COLOCACIÓN DEL SISTEMA DE CORTE.

53

Los antecedentes tecnológicos de esta máquina son de origen europeo construidos por la

empresa CSM BESSAC encargada de realizar obras de tipo férreo y carretero. Este nuevo

equipo fue construido por la empresa Roubin BORETEC y su construcción tuvo una

duración de un año en la ciudad de Cleveland, Ohio, EUA. Fue trasladada a la Ciudad de

México en junio de 1995 al portal de la derivación # 4, por lo que una vez armada en el

patio de maniobras por personal calificado en aproximadamente 45 días, se procedió a

desplazarla por medios propios a través de los 540 m de la derivación # 4 hasta el frente

de ataque, así la excavación se inició el 6 de octubre de ese mismo año.

5.5.1 LAS ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL "T.B.M." SON:

Cabezal plano de 3.64 m de diámetro y un metro de largo que puede girar en dos

direcciones, en él se distribuyen en diferentes ángulos 25 discos cortadores giratorios de

43 cm de diámetro, esta cabeza puede retroceder y girar sobre su eje cilindrico, gracias a

su mecanismo de deslizamiento sobre rieles. La potencia es de 933 KW (1250 HP) en

cinco unidades de 186 KW (250 HP) cada una; su velocidad máxima de rotación en los

motores es de 755 K.N.M (557 000 pie-lbs) y su velocidad baja es de 1510 K.N.M

(893 800 pie-Lib) - máxima 11 R.P.M., mínima 1.8 R.P.M.-. El tren motriz es de dos

velocidades con motores de embrague hidráulico, posee limitador par, caja de engranes y

planetarios de dos velocidades. Tiene un empuje máximo de excavación de 912 Ton (2

010 500 Lbs o 322 Kg/cm2). Su banda transportadora tiene una capacidad de carga de

rezaga de 180 Ton/hr equivalentes aproximadamente, a 10 m de avance). Consumo

máximo de energía eléctrica es de 1 600 Kv.

Posee un doble escudo, que son cilindros de placa de VA" de espesor, el primero sirve de

apoyo a la cabeza cortadora, a los motores e imprime rotación y en el segundo escudo, se

apoyan los gatos hidráulicos con los que cuenta para apoyarse en las paredes y en el piso

evitando fallas contra el terreno como lo es el cabeceo, además de los gatos transversales

que permiten fijar el avance de la sección cortadora. Entre los dos escudos existe un

cilindro adosado al segundo de los escudos, con menor diámetro y con longitud de 1.20 m

y que equivale a la carrera de los gatos de empuje.

54

En la parte posterior del escudo tiene instaladas dos perforadoras que con ayuda de su

desplazamiento longitudinal y a través de las ventanas del faldón del escudo es posible

realizar perforaciones para anclaje aún durante el tiempo de excavación

Entre la máquina tunelera y el tren de instalaciones se dispone de una zona de diez

metros donde se pueden colocar las dovelas de piso, vía y el soporte primario.

ÁREA DE COLOCACIÓN DE DOVELAS DE PISO, Y SOPORTE PRIMARIO.

55

Cuenta con un tren de apoyo de instalaciones de energía eléctrica e hidráulica, cabina de

operación, gabinetes de circuitos electrónicos, motor de extracción de polvo, cartucho

alojador del ducto para la ventilación, plataforma de cambio de vía y sistema de llenado de

vagonetas para la extracción de la rezaga, el desalojo se realiza sin detener el ciclo de

operación. El peso total del topo es de 185 Toneladas, mide 9 m de largo y tiene una vida

útil de aproximadamente 30 Km de excavación en roca. El rendimiento considerado en el

diseño es de hasta 26 m/día, que corresponde de 3 a 4 veces más respecto al método

convencional.

Esta máquina con la respectiva adecuación permite tomar la decisión de revestir con

elementos precolados que se colocan conforme se avanza en la excavación, por lo que

son muy importantes las consideraciones de carácter geológico y de funcionamiento del

túnel para proceder a esta solución.

En formaciones mixtas y/o inestables, el corte circular comparado con el perímetro

irregular que se obtiene con el método convencional, resulta más rápido, con menores

solicitudes de carga sobre el soporte provisional, por lo tanto, más seguro y con mucho

menor coeficiente de sobre excavación.

5.5.2 PROCEDIMIENTO DE EXCAVACIÓN Y SOPORTE PRIMARIO :

El ciclo de excavación inicia con la extensión de los gatos hidráulicos (zapatas laterales)

del segundo escudo a las paredes del túnel, los cinco motores dan rotación al balero el

que a su vez trasmite el giro al cabezal cortador, entre tanto, con el accionar de los ocho

gatos hidráulicos de extensión se ejerce presión de hasta 915 Toneladas, los 25 puntos de

contacto que son los discos cortadores producen al terreno la fatiga a la torsión con lo que

se provoca el rompimiento de esquirlas de la roca, las cuales son arrastrados por el propio

giro de la cabeza cortadora y se introduce por gravedad en cualquiera de los cuatro

cangilones dispuestos a cada 90°, los cangilones no permiten el paso de rocas mayores a

56

25 cm de diámetro, evitando que se atoren con alguna instalación o con el soporte

primario del túnel durante su transporte por la banda, de los cangilones caen a una tolva

receptora cuyo fondo es la 1a banda transportadora la que tiene longitud de 30 m y da un

giro en 45 segundos, de ahí pasa a la 2a banda la que finalmente deposita el material

cortado en las vagonetas que conforme se llenan las va desplazando la locomotora; con la

apertura de los gatos de extensión, el primer escudo va avanzando hasta una carrera

máxima de 1.20 metros junto con todo el tren de instalaciones (el movimiento se trasmite a

través de las vigas metálicas que contienen el transportador de rezaga), el cual se va

deslizando sobre los rieles que han sido fijados en las dovelas de piso, mismas que se van

colocando en el momento de la retracción del segundo escudo, esta última maniobra se

realiza con la retracción de atraque del 2o escudo, la extensión de los gatos auxiliares del

primer escudo y el accionar de cierre de los ocho gatos hidráulicos, con lo que se

completa el ciclo de excavación.

La evaluación de la calidad de la roca se analizó considerando los métodos en

excavaciones subterráneas NGI (Barton) y SCIR (Bieniawski). Con los valores resultantes

de la calificación por ambos métodos, más la experiencia de ocho años en promedio del

personal en excavaciones subterráneas y con el apoyo de los datos disponibles de las

deformaciones de la roca de los tramos de túnel de esta tercera etapa, se determinó la

necesidad de colocar o no el soporte provisional. Por las características de la tunelera y

las restricciones de espacio, el soporte que con mayor oportunidad se puede colocar es el

marco metálico, así que a lo largo de la excavación, fue el que con mayor frecuencia se

tiene en el túnel, la colocación de anclas y concreto lanzado se aplicó en los casos en que

el tiempo de autosoporte es del rango de semanas y su función mas que estructural, es

como una medida de seguridad para evitar debilitamiento de algunos bloques, recubrir el

material susceptible al intemperismo acelerado o al graneo por la vibración generada por

las locomotoras; las anclas utilizadas son de tipo mecánico denominadas como swelex y

con longitud de 1.50 m, mientras que el concreto lanzado con / 'c = 150 Kg/cm2, por lo

general se aplicó con espesor de 3 cm en la media sección superior y en algunos casos en

%" de sección de túnel. También de manera puntual se adicionó al soporte provisional

57

módulos de malla de 1.2 m por 0.6 m y refuerzos de canal en "U" de 4", finalmente en los

casos donde se presentaron caídos se requirió levantar estructura a base de vigueta

metálica de 4"x6" y marcos metálicos realizados con vigueta que en las zonas de túnel

piloto. Se presentaron dos condiciones en los sitios con soporte a base de marcos, una

con sobre excavación donde se requirió ademar con madera para trasmitir las cargas del

terreno a los marcos y la otra, con corte completamente circular donde no se requirió

ademe.

El procedimiento de extracción de rezaga, se efectuaba con corridas que constaban de

locomotora y 6 vagonetas con capacidad de 8 m3 cada una ( se llegó a operar con 5

corridas, cuando el material del frente era el propicio para la excavación); una vez

transportada hasta el patio de maniobras de la derivación 4 eran llevadas hasta la grúa

pórtico, la cual podía vaciar dos vagonetas a la vez, el proceso de vaciado de la corrida se

efectuaba en promedio de 20 minutos lo que equivale a 48 m3, posteriormente esta rezaga

era depositada en camiones de volteo por medio de un cargador frontal, que a su vez era

transportada a dos destinos, uno como relleno de predios y calles aledañas a la obra y

otro era llevada al almacén de rezaga con la finalidad de utilizarlo como agregados en la

etapa de revestimiento definitivo, con el previo proceso de trituración y cribado.

VAGONETAS DE REZAGA

58

CAPITULO V I :

EXCAVACIÓN DE TÚNELES EN SUELOS :

6.1 PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL:

Se conoce como procedimiento convencional de excavación de túneles en suelos, al

método y criterio que se ha venido utilizando con mayor frecuencia principalmente en

suelos compactos.

El equipo utilizado perfectamente es el compuesto por martillos neumáticos para la

excavación y máquinas rezagadoras neumáticas o eléctricas, así como, cargadores sobre

llantas o sobre carriles para la rezaga del material producto de la excavación.

El procedimiento convencional se utiliza de dos maneras:

1.- Ataque a sección completa.

2.- Ataque a media sección.

6.2 ATAQUE A SECCIÓN COMPLETA :

Este método se utiliza en función del tamaño de la sección o del grado de compacidad del

suelo, las dimensiones del equipo de rezaga puede determinar el ataque a sección

completa, siempre y cuando el material por excavar lo permita.

El avance por ciclo queda determinado también por la calidad del suelo. En éste método el

ciclo de trabajo se integra por actividades secuenciales (excavación, rezaga, ademe).

59

6.3 ATAQUE A MEDIA SECCIÓN :

Se conoce este método también como procedimiento de banqueo o de terrazas y es

utilizado en túneles de gran dimensión o en túneles pequeños con suelos de poca

cohesión.

En general se tienen dos frentes desfasados una longitud que es la del banco. El ataque

de los dos frentes puede ser simultáneo o alternados.

La profundidad de la excavación por ciclo queda determinada como el caso a sección

completa, por la calidad del material.

Cuando el tipo de ademe seleccionado es a base de marcos metálicos, la instalación de

los mismos se facilita con este método apoyando las piezas que forman la parte superior

de dicho marco sobre viguetas de acero, que a su vez descansan sobre el banco.

Conforme se avanza en la excavación de la sección inferior, las piezas faltantes del marco

( postes) son colocadas.

El tiempo de ciclo de excavación variará con la alternativa de ataque simultáneo de las

secciones superior e inferior, o el ataque alternado.

6.4 PROCEDIMIENTO CON TUNELEADORAS DE PLUMA :

Con estas maquinas el método es similar al utilizado en la excavación de túneles en roca,

haciendo algunas adaptaciones producto del tipo de material.

• Longitud de avance por ciclo.

• Tipo de cortadores de la cabeza rozadora especiales para suelos cohesivos.

• Si la tuneladora no cuenta con equipo incorporado para la rezaga, la maquina auxiliar

para este fin deberá seleccionarse para trabajar en tal medio.

El trabajo de estas máquinas se realiza en aquellos tipos de suelo con cohesión y fricción

como las arenas arcillosas, limos plásticos y arcillas firmes no expansivas.

60

6.5 PROCEDIMIENTO CON ESCUDO :

Cuando la resistencia al esfuerzo cortante en un suelo blando es baja, la aplicación del

método del escudo es el más frecuente. La idea básica es que el proceso de excavación y

ademe sea prácticamente simultánea. La función primordial del escudo, es resistir las

presiones que ejerce el terreno mientras se efectúa la colocación del ademe en esa zona.

Los tres tipos principales de escudo son :

1.- Escudo de frente abierto.

2.- Escudo de frente cerrado.

3.- Escudo con presión al frente.

6.5.1 ESCUDO CON FRENTE ABIERTO :

Este tipo de escudo es un cilindro de acero rígido abierto en sus dos extremos

longitudinales; presenta grandes facilidades en el frente de ataque para realizar la

excavación del terreno y hacer menos difícil los trabajos de revestimiento prefabricado, ya

que cuenta con un brazo colocado en la parte posterior.

La parte principal de la estructura del escudo recibe el nombre de "camisa o forro", la cual

esta construida de placas de acero unidas entre sí, dándole una forma cilindrica.

La camisa o forro, a su vez se divide en tres partes:

1.- La cuchilla cortadora, colocada en el extremo delantero de la camisa y cuyo diámetro

es ligeramente mayor que el diámetro del escudo. Tiene la capacidad de penetrar un suelo

blando bajo el impulso de una serie de gatos hidráulicos apoyados contra el revestimiento

final. Es reforzada y su rigidez interna se incrementa con anillos.

2.- El tronco o parte intermedia de la camisa sirve para alojar la maquinaria que permite

impulsar hacia delante el escudo, tales como gatos hidráulicos, así mismo, tableros de

operación, plataformas de trabajo montadas sobre postes atiezadores, etc.

3.- La cubierta trasera del escudo se le conoce con el nombre de faldón, y esta diseñado

de tal manera que puede soportar las presiones verticales ejercidas por el terreno. En ésta

parte es donde se realizan las maniobras necesarias para ir colocando el revestimiento

prefabricado del túnel, a medida que avanza la excavación.

La estructura total del escudo se complementa con maquinaria especial para la

excavación; rezaga y transporte del material, montaje e inyección. El escudo esta

equipado de cuatro plataformas de rastras en las cuales están colocados: El brazo erector,

bombas para proporcionar el fluido hidráulico para los gatos, equipo hidráulico de

emergencia y el control eléctrico para protección y operación del equipo, incluyendo un

transformador de energía eléctrica ( Figura 6.1 ).

6.5.1.1 CICLO DE OPERACIÓN :

La excavación de un túnel se realiza estableciendo un ciclo de operación, cuyo propósito

es llevar a cabo una comparación de costos entre cada fase de un proyecto. También

permite conocer si la ejecución del trabajo con respecto al tiempo sé esta efectuando tal y

como se planeo, para en caso contrarío, se preste atención especial a aquellas fases del

trabajo que van retrasadas.

La excavación se realiza en el frente mediante el uso de martillo neumático, brazos

excavadores u otro tipo de herramientas adecuadas.

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El ademado del frente consiste en colocar tableros de madera inmediatamente después de

terminar el "banqueo". Los tableros son detenidos por los gatos frontales que el escudo

lleva en la parte delantera. Estos gatos tienen además, la cualidad de retraerse al avanzar

el escudo, manteniendo una presión constante en el frente de ataque.

En forma simultánea a la excavación y al ademe frontal, se inicia la extracción del material

cortado. Para esto, primero se baja la mampara que retiene a los escombros y después se

permite el acceso a una máquina rezagadora con banda transportadora, la cual deposita el

material en vagonetas que arrastradas por una locomotora se encargan de llevarla a la

lumbrera.

De ahí la rezaga es elevada a la superficie por medio de un malacate y vaciado a una

tolva, hasta donde llegan los camiones de volteo encargados de acarrear los escombros a

la zona de tiro elegida.

Terminadas las excavaciones, ademe del frente y rezaga, se levanta la mampara con el

objeto de impedir que el suelo que pudiera desprenderse del frente durante el empuje

caiga dentro de la zona del faldón donde se hará la erección del anillo.

Acto continuo se accionan los gatos de empuje y se hace avanzar el escudo, hincándolo

en forma de cuña en el terreno.

Los gatos frontales permanecen presionando al suelo del frente gracias a la acción

automática de retracción que poseen.

El empuje define los alineamientos y pendientes del proyecto con la ayuda de un sistema

combinado laser-teodolito. Esta combinación se monta en un soporte especialmente

diseñado, fijo al revestimiento. La posición del laser-teodolito y la orientación de la luz

láser se calculan con equipo de procedimiento electrónico de datos y es registrado en una

computadora. La luz láser se dirige continuamente a dos tarjetas fijas en el escudo, en las

intersecciones de la luz con las tarjetas aparecen puntos rojos trazando trayectorias en las

tarjetas.

La posición relativa de la trayectoria marcada por el punto de parada con la trayectoria

calculada, indica la desviación del escudo de la posición deseada.

El uso del láser con tarjetas elimina mucho tiempo de comprobación después de cada

empuje ayudando a acelerar el ciclo.

63

Como el movimiento del escudo es una operación muy importante, su avance se debe

realizar con el número de gatos adecuados. Estos se apoyan en el último anillo de

dovelas, colocado en el faldón del escudo.

Terminado el avance se limpia la plantilla dentro del faldón para proceder a colocar el

ademe primario formado por dovelas.

Estas pueden ser de concreto reforzado, acero o hierro fundido, y sus dimensiones

dependerán, del peso que pueda ser manejado y de las dimensiones del faldón. El

montaje de los segmentos se hace mediante un brazo erector que esta colocado en la

parte posterior del escudo.

El brazo tiene facilidad de girar, desplazarse longitudinalmente y acoplarse a la dovela

para ponerla en su posición final, la colocación de los segmentos se empieza del piso

hacia los lados y en la clave se coloca una pieza de cierre, muchas veces los anillos

formados tienden a adoptar una forma oval y no circular como se proyecta, por lo que es

necesario colocar un par de puntas para evitar su deformación. Este apuntalamiento se

conserva hasta después de la inyección de materiales dentro del espacio vacío entre

dovelas y terreno natural.

A continuación se aprietan los tornillos que sirven de unión entre segmentos y con esto se

cierra el ciclo de la excavación.

6.6 ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO :

Cuando la excavación de un túnel se realiza en suelos situados bajo el nivel freático, es

necesario ejecutar un abatimiento del mismo con el objeto de facilitar las operaciones de

construcción y para mejorar las condiciones de estabilidad del frente de excavación.

Generalmente, el sistema de abatimiento consiste en perforar pozos hasta una

profundidad bajo la plantilla del túnel y en ellos colocar bombas sumergibles.

Los pozos se deben diseñar de tal forma que se logre su máxima eficiencia permitiendo la

mayor extracción del agua que se encuentre en la zona y que, además, impida la entrada

de materiales finos durante el bombeo y la consecuente formación de cavernas en la línea

a seguir por el escudo ( Figura 6.2).

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6.7 ESCUDO DE FRENTE CERRADO :

Un segundo tipo de escudo es aquel que lleva en todo su frente una estructura metálica.

Conocida con el nombre de "mampara" que contiene al suelo delante de la excavación. La

mampara esta formada de viguetas de acero. La obstrucción frontal es el motivo por el

cual a esta máquina se le conoce como" Escudo de Frente Cerrado".

La máquina tradicional del tipo mencionado, va realizando la excavación del túnel

mediante simple desplazamiento del suelo, al penetrar el escudo por la sección de empuje

de los gatos hidráulicos. Estos están localizados dentro de la camisa del escudo para dar

fuerza a la mampara apoyándose en las dovelas que integran el revestimiento primario.

Los gatos de empuje deben ser diseñados para vencer las siguientes resistencias:

• La fricción del terreno sobre la superficie exterior de la camisa del escudo.

• La fricción del anillo de dovelas en el faldón del escudo.

• La resistencia del terreno que no ha sido desplazado en el frente del escudo.

Sobre el túnel se sobreeleva la superficie del terreno por el suelo desplazado, que puede

posteriormente dragarse, si así se desea.

Algunas veces resulta ventajoso permitir el flujo de algo de material hacia el interior del

escudo, esto se puede conseguir mediante una o más aberturas muy pequeñas realizadas

previamente en la mampara.

Unos metros atrás del escudo se cuenta con una estructura metálica provista de ruedas y

que se desplaza sobre rieles. En ella se tienen los motores para las bombas del sistema

hidráulico que accionan los gatos de empuje, motorreductores de las bandas que

transportan el material que se permite pasar hacia el interior, un transformador que

alimenta a los motores y otro que se usa para la iluminación y uso de herramientas

eléctricas, y el equipo de inyección de materiales.

El alineamiento del escudo se lleva por medio de un rayo láser, siguiendo el mismo

sistema que para escudos de frente abierto.

65

6.7.1 CICLO DE EXCAVACIÓN :

El ciclo de excavación de un escudo de frente cerrado consiste de las operaciones

siguientes :

a) Empuje del escudo.

b) Operación de compuertas.

c) Rezaga.

d) Erección de dovelas.

e) Apretar tornillos entre dovelas.

6.7.1.1. EMPUJE DEL ESCUDO :

El empuje del escudo se realiza por la expansión de los gatos hidráulicos que se apoyan

en él ultimo anillo del revestimiento primario colocado. El empuje de los gatos debe ser

uniforme para impedir que el escudo tienda a salirse de la línea proyectada. La dirección

correcta del escudo se controla mediante un sistema combinado de rayo láser y teodolito.

6.7.1.2. OPERACIÓN DE COMPUERTAS :

Conforme el escudo avanza, tas compuertas de las ranuras frontales se abren para

permitir el flujo del material hacia el interior. Cuando ya ha penetrado el material necesario,

las compuertas se vuelven a cerrar. Impidiendo el flujo. Su manejo se realiza mediante

gatos hidráulicos que las hacen accionar.

66

6.7.1.3. REZAGA :

Simultáneamente a la operación de las compuertas, una banda transportadora se encarga

de ir recogiendo el material que fluye al interior y lo va depositando en una tolva, de ahí

pasa directamente a las vagonetas encargadas de llevar el material producto de la

excavación a la lumbrera.

6.7.1.4 COLOCACIÓN DE DOVELAS :

Una vez terminada la' expansión de los gatos de empuje del escudo, se procede a

retraerlos uno por uno para dar espacio a la colocación de las dovelas. El brazo erector es

utilizado en esta operación. La colocación se empieza del piso hacia los lados y en la

clave se coloca una pieza de cierre.

6.7.1.5 APRETAR TORNILLOS ENTRE DOVELAS:

Terminado ya el anillo de dovelas, se procede a apretar los tomillos que las unen entre sí, con esto

se cierra el ciclo de la excavación.

67

6.8 ESCUDO CON PRESIÓN AL FRENTE :

Generalmente, para poder aplicar este método se requiere de los siguientes elementos :

1 Un escudo que mantiene estables las paredes del túnel y ayuda en la estabilidad

del frente.

7 Una cámara de presión al frente llena de lodo presurizado que estabiliza la cara de

la excavación.

8 Un disco cortador rotatorio sumergido en la cámara de presión que se mueve por

medio de motores eléctricos o hidráulicos para cortar el suelo.

9 Un sistema de bombeo que extrae la mezcla suelo-lodo de la cámara de presión y

la envía a la superficie para su posterior tratamiento y eliminación.

10 Una plante de tratamiento instalada fuera del túnel, se encarga de separar el lodo

estabilizador de la mezcla descargada y lo deja en condiciones para recircular en el

frente.

6.9 AIRE COMPRIMIDO APLICADO A LAS PAREDES DEL TÚNEL:

El empleo de aire comprimido, consiste fundamentalmente en lo siguiente :

Se coloca una mampara o un tapón en una sección del túnel, mediante una placa de

acero, de tal forma que no exista comunicación de un lado hacia otro, sellando además el

terreno con inyecciones para garantizar el aislamiento.

En un lado del tapón, o sea el lado de la lumbrera, el aire tiene la presión atmosférica, del

otro lado se empieza a inyectar aire, así la sección del túnel entre el frente de excavación

y el tapón queda sujeta a una presión de aire superior a la atmosférica.

La entrada y salida tanto del personal como de materiales a esta cámara de trabajo

presurizada se hace por medio de esclusas, que consisten en cilindros de metal que

cruzan la mampara con puertas selladas de entrada y salida.

68

Cuando se circula del lado de presión atmosférica al lado presurizado, se cierran ambas

puertas y poco a poco se va inyectando aire a presión, hasta que la presión en la esclusa

se iguala con la cámara de trabajo, en esas condiciones se abre la puerta del lado

presurizado y el personal puede pasar a la cámara de trabajo.

Con la rezaga ( material producto de excavación ) se efectúa la misma operación; Sin

embargo, la velocidad con la que se elimina o alza la presión en la rezaga es mucho

mayor. Para el personal es necesario tomar tiempos apropiados de compresión y

descompresión, en base a tablas preestablecidas en función de la magnitud de la presión,

ya que una descompresión súbita puede causar daños al personal.

Durante la permanencia del personal en la zona de aire comprimido, se disuelve más aire

en la sangre y en los tejidos que bajo presión atmosférica, por lo que, al terminar la

jornada de trabajo, el personal debe ser sometido a un proceso de descompresión,

evitando que se formen burbujas en la sangre.

Todo el personal que trabaja bajo aire comprimido es mantenido bajo riguroso control

medico, así mismo, la admisión de personal se hace mediante una selección muy rigurosa,

a base de exámenes radiológicos y clinicos para comprobar la salud de los trabajadores y

su condición física.

Fundamentalmente se revisan oídos, pulmones, y conductos respiratorios, exigiendo un

perfecto estado de salud en todos los candidatos.

El objeto de formar una cámara presurizada es, principalmente, estabilizar el frente de

excavación. Para el caso de las arenas saturadas, el flujo de aire comprimido del frente de

excavación hacia el terreno, provoca tensiones capilares que evitan que la arena y el agua

fluyan hacia el interior del túnel, en el caso de arcillas de baja resistencia, se tiene una

presión que contrarresta la presión del terreno, evitando así que la arcilla falle por

extrusion y penetre hacia el túnel.

69

6.10 PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN :

El procedimiento de construcción cuando se emplea aire comprimido en la excavación de

túneles, prácticamente es el mismo que se sigue cuando se utiliza únicamente escudo de

frente abierto que tiene como actividades criticas en su ciclo de operaciones como son la

rezaga, el empuje del escudo, y la colocación de un anillo formado por dovelas, y como

actividades secundarias como el, ademe del frente, ajuste de tornillos de los segmentos,

bajada de materiales e inyección.

El empleo del aire comprimido requiere, además de las actividades anteriores, de tiempos

de compresión para poder entrar a la cámara de trabajo y tiempos de descompresión al

salir de la misma.

Estos tiempos son de gran importancia, sobre todo, cuando la compresión o

descompresión se realiza con personal, por tal motivo se requiere de estudios para

determinarlos, pues tiempos inadecuados originarían desde simples dolores de cabeza,

hasta graves enfermedades que pondrían en peligro la vida de la persona.

Cuando se trata con la rezaga u otros materiales, los tiempos referidos deben ser lo más

cortos posible para acelerar el ciclo de excavación.

La compresión o descompresión tanto de personal como de materiales se lleva a cabo en

las esclusas correspondientes, las cuales funcionan de la misma manera y conforme a los

siguientes pasos:

Si se desea llegar a la cámara de trabajo:

a) Se entra a la esclusa y se cierra la compuerta.

b) Se comienza a presurizar la esclusa hasta que se nivela a la presión del frente de

ataque.

c) Igualadas las presiones se puede abrir la compuerta que permite el acceso a la zona

de excavación. La compuerta queda prácticamente imposibilitada para abrirse, ya que

la presión aplicada a la esclusa no lo permite.

70

Si se desea salir de la cámara de trabajo :

a) Se entra a la esclusa por la puerta posterior y se cierra ésta.

b) Se descomprime la esclusa conforme a los intervalos de tiempo, calculados

previamente. La descompresión se logra abriendo la válvula de escape.

c) Lograda la descompresión total, se puede abrir la compuerta, para pasar a la zona de

aire libre.

71

CAPITULO Vil

ADEME O SOPORTE TEMPORAL

7.0 ANTECEDENTES.

Al construir un túnel, la etapa de excavación requiere de una actividad simultánea a su

ejecución la cual consiste en soportar adecuadamente cada tramo excavado de acuerdo a

una longitud establecida.

La selección del sistema de soporte temporal va ligada a los estudios previos realizados y

al tipo de material por excavar.

Dichos estudios, si bien dan una idea general sobre los materiales sujetos a ellos y de su

acomodo estratigrafía», no son todo lo preciso que fuera de desearse dado que a lo largo

del trazo del túnel estas características son cambiantes, y aunque se tenga una cantidad

suficiente de pruebas y estudios resulta difícil acertar en primera instancia sobre el

comportamiento del túnel en el proceso de excavación.

Se mencionan algunas de las teorías para evaluar los esfuerzos y deformaciones que una

excavación va a soportar:

a) Métodos empíricos:

Estos hacen acopio de las experiencias obtenidas en casos particulares. Una de estas es

la teoría de Terzaghi que sugiere una transmisión de la carga de la roca a los soportes

definiendo como "Carga de Roca" al paso de la masa que tiende a desprenderse del

techo del túnel y debe ser soportada por el ademe.

72

b ) Métodos isostáticos ;

Consisten en establecer ciertos límites de equilibrio de acuerdo con una definición de

planos de deslizamiento de la roca.

Bierbaumer define la carga que actúa sobre el ademe con algunas condiciones de la

geometría de la sección y el equilibrio de las masas de la roca.

Estos métodos consideran solo los parámetros tales como peso propio, ángulo de fricción

interna y en algunos casos la cohesión, dejando a un lado las deformaciones, por lo que

no se garantiza la compatibilidad de las deformaciones de la roca con las del soporte.

c ) Métodos elásticos :

Debido a que no se aseguraba la compatibilidad de las deformaciones roca-soporte, se

han desarrollado métodos basados en la elasticidad clásica calculando un círculo de

dimensiones infinitas atravesado por la sección de la excavación. En estos métodos se

respetan las condiciones de deformación de la masa de roca pero no se asegura su

compatibilidad con las del ademe.

d ) Métodos elasto-plásticos :

Con el auxilio de las computadoras, muchos investigadores han realizado cálculos elasto-

plásticos en un plano perpendicular al plano del túnel pero aun sin poder resolver el

problema hiperestático.

e ) Teoría de las líneas características :

De todos los métodos anteriores brevemente descritos se desprende que el problema

estáticamente indeterminado del soporte de la galería consiste en hacer coincidir las

deformaciones de la roca con las del ademe.

73

"El Doctor G. Lombard¡ hace el siguiente planteamiento:

Se tiene un cilindro de dimensiones infinitas obtenido por la masa de la roca atravesada

por la excavación y sujeto a las presiones del terreno.

Se supone que el hueco de la excavación esta lleno de agua a una presión que equivale al

estado natural de las solicitaciones.

Si la presión se reduce poco a poco, las paredes del orificio iniciaran un movimiento

convergente hacia la parte inferior de la excavación que ira aumentando en proporción

directa a la disminución de presión, en principio, este movimiento estará dentro del rango

elástico de la roca y conforme vaya decreciendo la presión entrará a una zona plástica en

la que se perderá la proporcionalidad entre presión deformación.

La incógnita fundamental es la deformación inicial ya que el momento y el lugar de la

colocación del ademe son de vital importancia, pues conforme el frente va desplazándose

el estado de esfuerzos se convierte de tridimensional en bidimensional, y la solicitación de

la deformación del ademe es mayor en la cercanía del frente que en donde ya ha pasado

la excavación con anterioridad, debido a que las deformaciones ya se han llevado a cabo.

Cabe aclarar que a la vista de las teorías antes expuestas, no se puede dar una receta

previa para la colocación del ademe esperando que esta sea acertada en un 100% debido

a las incógnitas mencionadas, por tanto, el ingeniero que esta al frente de la construcción

del túnel debe observar el comportamiento de los ademes que se han colocado y así

proponer las alternativas para el caso concreto, apoyándose en sus conocimientos y

experiencias y por las medidas que se realicen sobre la excavación tratándose como un

laboratorio, etc.

74

7.1 FORMAS DE PRESIÓN EN LOS TÚNELES :

Para comprender los mecanismos de presión circundante en túneles, es conveniente

imaginar que a cualquier profundidad, en donde se excavará un túnel, existe el equilibrio

antes de efectuar la excavación. Cuando esta se abra, el estado de esfuerzos y

deformaciones cambiará consecuentemente y todos los elementos en la cercanía del túnel

se tendrán que adaptar a su nuevo estado de esfuerzos. La presión circundante en un

túnel se ha dividido convencionalmente en tres formas: la debida al peso de la masa de

roca ( presión de aflojamiento ), la debida a los esfuerzos existentes en el medio ( presión

real de la montaña ), y la debida a la expansión de ciertos tipos de rocas o suelos.

Los dos primeros mecanismos son esencialmente uno solo, pero se han separado para

enfatizar la influencia de algunos factores.

El tercer mecanismo se presenta exclusivamente en ciertos suelos o en rocas cuyas

fisuras están rellenas por suelos expansivos.

La determinación de la presión de rocas es uno de los problemas más complejos de la

ingeniería. Esta complejidad es debida, no solo a la dificultad inherente al conocimiento de

las condiciones de esfuerzos en el interior de una masa de roca, sino también al hecho de

las propiedades esfuerzo-deformación, como la magnitud de las presiones que se

desarrollan alrededor de la cavidad, están gobernadas por una variedad de factores tales

como:

• El estado inicial de esfuerzos en la roca.

• El tamaño de la cavidad.

• El método de la excavación.

• La rigidez del soporte.

• El período durante el cual la cavidad ha permanecido sin soporte.

75

7.1.1 PRESIÓN DE ROCA DEBIDA A AFLOJAMIENTO :

En este caso, la presión de roca puede ser entendida como el peso de una masa de roca

de cierta altura que gravita principalmente sobre la clave del túnel, esta masa si se dejara

sin soporte caería gradualmente dentro del túnel. En la práctica, se considera que

mientras más rápido se coloque el soporte temporal, los desprendimientos serán menores

( Figura 7.1 ).

Las razones por la que ocurre el aflojamiento de la roca son muy diversas, siendo las

principales : El empleo de explosivos durante la excavación, y los esfuerzos de tensión

que se originan por efecto de la flexión en la clave del túnel. El mecanismo se presenta a

cualquier profundidad en que se excave el túnel y de la calidad de la roca, es decir, se

presenta en cualquier tipo de roca.

7.1.2 PRESIÓN REAL DE MONTAÑA:

Ésta presión se origina por estado de esfuerzos que se crea al abrir una cavidad. El

estado de esfuerzos que se genera es debido a una combinación de los dos factores

siguientes:

Una posible resistencia insuficiente de la roca con relación a los esfuerzos actuales en la

periferia del túnel y en segundo lugar, el estado inicial de esfuerzos del macizo rocoso.

Lo anterior se puede describir de la forma siguiente:

Antes de la excavación los elementos de roca adyacentes al túnel, se encuentran en

equilibrio, al excavarse el túnel se rompe su equilibrio y como consecuencia ocurren

deformaciones y cambios en su estado de esfuerzos original. Si la resistencia de la roca

es suficiente el equilibrio se mantiene, por el contrario si la resistencia es insuficiente para

el estado de esfuerzos generado por la excavación, entonces habrá una redistribución de

esfuerzos que provocará nuevas deformaciones; Este proceso se repetirá sucesivamente

hasta que se alcance el equilibrio.

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Ocurre con frecuencia que este proceso es diferido en el tiempo debido a las propiedades

de la roca lo cual puede traer como consecuencia que la excavación se cierre

gradualmente a medida que pasa el tiempo, sin embargo en la generalidad de los casos,

se generará una zona adyacente a la excavación con un estado de esfuerzos que es

congruente con su resistencia, aunque el tiempo requerido para alcanzar el equilibrio final

puede ser muy largo.

Considerando exclusivamente el proceso anterior, puede llegarse a la conclusión de que

mientras más tiempo tarde en colocarse el revestimiento, más grande será la zona con

esfuerzos redistribuidos congruentes con la resistencia limitada de la roca y por lo tanto,

será menor la presión de roca que tenga que soportar el revestimiento. Sin embargo, no

debe perderse de vista dos aspectos:

a ) Las deformaciones necesarias para que se alcance el equilibrio pueden ser excesivas,

b ) A medida que pasa el tiempo, el mecanismo de aflojamiento empieza a tener

importancia y pueden producirse inclusive caídos de importancia dentro del túnel.

Vale la pena mencionar que la ocurrencia del mecanismo de presión esta regida por las

características de resistencia de la roca, por la profundidad de la excavación, y por los

esfuerzos tectónicos presentes en la masa de roca. De esta forma, una roca muy

resistente puede generar presión real de montaña a una profundidad de mas de 1,000

metros y no presentarla a una profundidad de 200 metros.

77

7.1.3 PRESIÓN DE HINCHAZÓN :

Este mecanismo ocurre en suelos arcillosos y en rocas blandas o rocas que tengan fisuras

rellenas de suelos arcillosos, y la relajación de esfuerzos que ocurren en las cercanías de

la excavación promueve cambios de volumen en las rocas y suelos. Tales cambios de

volumen pueden ser suficientemente grandes como para generar presiones de roca

inclusive mayores que la presión geostatica (presión vertical a una profundidad de la

debida al peso propio de la roca).

7.1.4 DETERMINACIÓN DE LA PRESIÓN DE LA ROCA :

Es la presión que actúa sobre la clave del túnel. Se han desarrollado varias teorías para

calcular la presión de roca en el ademe del túnel. En estas teorías, se distinguen dos

tendencias, una que toma en cuenta el efecto de la profundidad del túnel y otra considera

la presión independiente de la profundidad.

Entre las teoría que toman en cuenta la profundidad, se encuentran la de Bierbaumer, y de

Terzaghi.

Todas suponen que la presión de roca es igual a la presión necesaria para que el material

alrededor y arriba del túnel se encuentre en equilibrio, considerando que su peso es

tomado por la resistencia de la roca mediante mecanismos similares a los de arqueo.

Las teorías que no toman en cuenta el efecto de la profundidad se refieren esencialmente

a la determinación de la presión de aflojamiento.

78

7.1.5. PRESIÓN LATERAL :

La presión lateral es el empuje horizontal de la roca debido a las cargas verticales

actuando en las zonas adyacentes del túnel y a la deformación que tenga el revestimiento

( Figura 7.2).

El primer concepto que se maneja es el siguiente :Debido a la presión vertical actuando

sobre AB se genera una presión horizontal sobre BE y la relación entre ellos corresponde

a un estado activo de esfuerzos o a un estado de reposo. Entonces conociendo la presión

vertical actuando sobre AB se puede calcular la presión en BE aplicando las teorías de

empuje de tierras.

El otro concepto que se maneja es que la presión lateral dependerá de los movimientos

que tenga el revestimiento.

Se presentarán desplazamientos hacia fuera por efecto de la presión de roca actuando en

la clave lo cual llevara a la roca de un estado activo a un estado pasivo, es decir, la

frontera BE tendera a moverse hacia fuera del túnel. Lo anterior, hará que la presión

lateral se incremente, haciendo más favorables la condición de trabajo del ademe.

7.1.6 PRESIÓN DE FONDO :

Se entiende como presión de fondo, a la que tiende a ejercer el fondo de la excavación por

efecto de la presión vertical, actuando en la zona adyacente al túnel ( Figura 7.3).

Como puede observarse, el problema de determinar la presión en el fondo se puede

asemejar entonces a uno de capacidad de carga.

En forma alternativa, Terzaghi analiza el problema de la estabilidad de fondo de túnel

como una falla de fondo en excavaciones profundas y así, se determina el factor de

seguridad contra el bufamiento del fondo, en el caso de no existir la cubierta del

revestimiento.

En la practica el problema de presión de fondo se presenta exclusivamente en suelos

sueltos y específicamente en arcillas plásticas saturadas. {Figura 7.4).

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7.2 . PRINCIPALES TIPOS DE ADEME :

7.2.1 MARCOS METÁLICOS :

El perfil estructural seleccionado para el ademe metálico debe ser habilitado de acuerdo

con la geometría de la sección; Comúnmente esta habilitación se realiza con roladora para

evitar cristalizaciones producidas por calentamientos que afectarían el comportamiento

estructural del elemento.

Para facilitar su colocación el marco cuenta con varias secciones, es decir no se coloca

todo a la vez sino que se arma parte por parte, como caso común se puede distribuir entre

el grupo construido por la media sección superior formado por la semiclave y el grupo de

la media sección inferior formado por los postes.

Cuando el procedimiento constructivo indica la colocación de marcos, la excavación se

lleva por lo general a media sección y banqueo, sobre todo cuando el material por excavar

esta constituido por finos.

MARCOS METÁLICOS CIRCULARES.

80

De este modo el ataque de la media sección superior se va realizando y de ser necesario,

se coloca madera apoyada sobre el marco anterior. Posteriormente se colocan las rastras

apoyadas en el banqueo, y es entonces cuando sé verifica la topografía del túnel.

Alineadas las rastras, se colocan las semiclaves sobre ellas.

Las rastras colocadas deben ir soldadas a las inmediatas anteriores, y las semiclaves

deben soldarse a las rastras recién colocadas. La unión entre ambas semiclaves es el

siguiente paso. Esta se lleva a cabo atornillando las placas de los extremos de cada una

de ellas y soldando la unión de dichas placas.

Posteriormente se excava la media sección inferior y se colocan los postes debajo de las

semiclaves correspondientes, soldándose a la rastra en los puntos de apoyo.

Para garantizar el trabajo en conjunto de todos los marcos, en el alma de perfil estructural

se hacen barrenaciones con el objeto que a través de ellas se introduzcan varillas

habilitadas con una cabeza de la propia varilla y un birlo en el extremo opuesto.

A este birlo se le atornilla una tuerca y de este modo las varillas trabajan a tensión, por lo

cual se les denomina "tensores".

Los esfuerzos de compresión son trasmitidos del marco a polines de madera colocados

sobre los tensores cortados de acuerdo con la separación entre los marcos. Estas piezas

se conocen como separadores.

Las rastras están construidas por una o dos viguetas soldadas al patín. Para el apoyo de

los postes contra el piso de la excavación se utiliza generalmente madera con el fin de

evitar corrimientos al colocar el poste, este apoyo por lo general esta formado por dos

piezas de madera fijadas y clavadas, y en algunos casos se cuela una plantilla de

concreto o una guarnición.

Si se requiere realizar obras para el desalojo de agua a causa de filtraciones, estas se

harán aparte para evitar la transportación de suelos y los marcos pierdan su apoyo.

81

7.2.2 CONCRETO LANZADO :

El concreto lanzado, consiste en colocar concreto a presión sobre el contorno de la

excavación, formando un espesor suficiente para que actúe como cascaron que soporte

los esfuerzos producidos por la excavación, teniendo aparte la ventaja de ser deformable e

indicar fallas con la anticipación necesaria para tomar las medidas pertinentes.

Esta tecnología de origen europeo ha evolucionado sorprendentemente en los ultimas

años debido a la facilidad de su aplicación, y su versatilidad de utilización.

Existen dos tipos de procedimientos de colocación del concreto lanzado:

• Mezcla Seca.

• Mezcla Húmeda.

El procedimiento de mezcla seca consiste en dosificar una mezcla de agregados y

cemento en la proporción requerida por la resistencia del proyecto, a una máquina

lanzadora que lo suministrara a presión por una manguera que conduce la mezcla seca a

una boquilla. En este lugar se incorpora el agua y la mezcla se proyecta sobre la superficie

a cubrir.

El concreto colocado adquiere, debido a la presión una compactación muy buena y no

requiere de vibrado para su acomodo. Su revenimiento es de cero, en virtud de que la

relación agua-cemento es baja.

El método por sus ventajas que ofrece para la fabricación y colocación del concreto

lanzado es él mas difundido en la actualidad.

El procedimiento de mezcla húmeda consiste en la fabricación del concreto y su bombeo a

presión ya incluida el agua hacia la superficie a proteger. Este método tiene la desventaja

de que pueden ocasionar segregaciones en el concreto y su compactación inicial es

menor que en la mezcla seca.

El concreto lanzado se distingue del concreto común únicamente en su aplicación. El

comportamiento estructural de ambos es idéntico.

82

Para las excavaciones subterráneas el concreto lanzado ha venido a simplificar el

problema que significa su soporte ya que es muy sencillo colocarlo y es adaptable a

cualquier geometría sin necesidad de usar cimbras o artefactos que requieran mucha

mano de obra.

El concreto lanzado como soporte de túneles se usa formando un cascaron o membrana

estructural que recibe los esfuerzos de compresión propiciados por el empuje de la roca a

la excavación.

Por su facilidad de aplicación el concreto lanzado puede colocarse de tal manera que

auxilie a otros sistemas de soporte o si se coloca en espesores pequeños ayuda a evitar el

intemperismo de los materiales.

El concreto lanzado se aplica por lo general con aditivos acelerantes para que vaya

adquiriendo resistencia en el lapso más corto posible.

Para absorber los esfuerzos de tensión producidos por la elevación de temperatura

cuando el concreto lanzado esta en la fase del fraguado inicial se coloca una malla

electrosoldada con un recubrimiento libre determinado en las paredes y clave del túnel.

Puede colocarse también una malla mas cerrada cuando el material es poco cohesivo y

resiste con alguna dificultad la presión del lanzado. En este caso, la malla asume

funciones de retener ligeramente al suelo cuando se efectúa el lanzado. Se ha utilizado

para estos fines con buenos resultados malla de gallinero.

Cuando el concreto lanzado es usado como revestimiento definitivo puede ser aplicado

sobre refuerzo estructural de varillas de acero, con el condicionante de que el rebote

puede aumentar si el lanzador no cuenta con la experiencia necesaria.

83

7.2.3 CONCRETO LANZADO COMBINADO CON MARCOS METÁLICOS :

LANZADO DE CONCRETO ENTRE MARCOS METÁLICOS

Cuando se abre un túnel, la presión a la que actúa en la excavación es la atmosférica y

esto puede ocasionar que el material se intemperice, si a esto se añade que el suelo sea

poco cohesivo, después de un tiempo de excavado y ademado con marcos metálicos se

puede presentar el fenómeno que por perdida de humedad y contacto con aire fresco, el

material tienda a desprenderse por en medio de la madera de retaque.

84

Conviene en estas circunstancias lanzar una capa de concreto que detenga los efectos

antes mencionados, protegiendo así a la estructura del material, previniendo que se

tengan sobreexcavaciones y acomodos de la capa superior del túnel.

Se presenta otro caso en el que es necesario lanzar concreto sobre los marcos y es

cuando los empujes del terreno sobre el ademe metálico tiende a producir deformaciones

excesivas e incluso el cerramiento del túnel. En este caso conviene lanzar un espesor

suficiente y formar una especie de bóveda entre marco y marco, para que el concreto

lanzado auxilie al soporte metálico en la resistencia de los esfuerzos de compresión.

7.2.4 ANCLAS:

Este tipo de ademe se ha popularizado en los últimos años en rocas relativamente sanas,

y el principio fundamental de hacer una estructura de soporte a base de anclas para que la

roca sé autosoporte. Para lograr dicho objetivo hay que colocar las anclas lo más cercano

al frente posible para que formen parte de las deformaciones y esfuerzos que produjo la

excavación.

Existen, básicamente, dos tipos de anclas, de tensión y fricción.

7.2.4.1 ANCLAS DE TENSIÓN :

Este tipo de anclas consiste en una varilla con una concha expansiva en un extremo y

cuerda en el otro, siendo su procedimiento de colocación como sigue:

Se barrena la longitud deseada, posteriormente se introduce el ancla y la concha

expansiva sujetándose a la roca, en el extremo saliente del ancla se coloca una placa y se

atornilla a la tuerca.

Con él apriete en la tuerca se induce una pretensión al ancla, mismo que se transmite a la

roca como pre-compresion. De este modo un conjunto de anclas estratégicamente

colocadas, provocan en la excavación esfuerzos de compresión que desarrollan un efecto

de arqueo en el perímetro de la excavación.

85

El uso de las anclas de tensión se recomienda para túneles construidos a través de roca

fracturada, en donde se debe proteger la excavación de desprendimientos de bloques de

roca, sirviendo en anclaje como una costura entre bloques.

7.2.4.2 ANCLAS DE FRICCIÓN :

Las anclas de fricción son anclas alojadas en barrenos cementados o inyectados y

funcionan a base de la adherencia mortero-pared de barreno y mortero-anclas.

La colocación de las anclas de fricción consiste en las operaciones de barrenacion, la

colocación del ancla, generalmente construidas por varillas de acero corrugadas e

inyección a presión de una lechada de cemento.

El soporte de la excavación se aplica como un acuñamiento entre bloques anclados

conforme a la excavación, deformándose en convergencia hacia el interior del túnel. El

terreno carga sobre la excavación y si está provista de anclas de fricción, las anclas se

aprietan formando bloque autosoportables de material.

7.2.4.3 COMBINACIÓN DE ANCLAS CON CONCRETO LANZADO :

Si se han colocado anclas de fricción, resulta conveniente lanzar concreto en la sección

anclada con la finalidad de que constituya un apoyo a las anclas.

Esta combinación es muy eficiente pues de este modo las anclas trabajan como vigas

simplemente apoyadas y además de proporcionar acuñamientos por la fricción que se

desarrolla, se da un apoyo resistente para detener desprendimientos ocasionales que se

llegan a producir por la intemperízacion del material.

86

CAPITULO VIII

REVESTIMIENTO DEFINITIVO DE CONCRETO EN TÚNELES :

8.0 ANTECEDENTES :

El revestimiento definitivo de concreto en un túnel cumple con dos funciones :

a ) Soportar las cargas para que la estructura funcione en forma definitiva,

b ) Proporcionar el gálibo de proyecto para el que fue diseñado.

El revestimiento se coloca en la mayoría de los casos después de haber terminado la

excavación, también pueden existir condiciones de excavación de túneles en las que se

hace necesario colocar el revestimiento definitivo de concreto simultáneamente con la

excavación, ya sea en cada ciclo o a una distancia de tal manera que sean simultáneas

las actividades de excavación y colado.

De acuerdo a lo anterior podemos dividir los procedimientos en :

a ) Revestimiento de concreto durante la excavación, efectuándolo inmediatamente

después de cada ciclo y en la zona recién excavada.

b ) Revestimiento de concreto durante la excavación efectuándolo a una distancia del

frente, de manera que las actividades concreto-excavación no se interfieran.

c ) Revestimiento de concreto después de haberse efectuado la excavación en toda la

longitud del túnel.

87

Estos tres procedimientos han llegado al diseño de dos tipos principales de cimbra que

son:

1.- Cimbra estacionaria.

2.- Cimbras deslizantes.

Se debe mencionar que también el revestimiento definitivo en ocasiones se efectúa por

medio de concreto lanzado, sobre todo en zonas de túneles en que se tienen secciones

variables y que resultarla antieconómico fabricar una cimbra monolítica para esa zona.

Las cimbras para el revestimiento de túnel se fabrican de acuerdo a las necesidades y ya

sean estacionarias o deslizantes pueden diseñarse para colar toda la sección o, para colar

parte de la sección, generalmente bóveda y paredes para después realizar el colado de

plantilla o losa de fondo.

Entre los principales factores que permiten elegir el tipo de cimbra mas adecuado,

mencionamos los siguientes:

• Sección de túnel.

• Longitud de túnel.

• Costo del equipo.

• Programa de trabajo (velocidad de colado).

8.1 CIMBRA ESTACIONARIA :

Las cimbras, para el revestimiento de túnel generalmente son metálicas, formadas por

secciones de 1.00 a 15.00 metros de ancho, unidas, entre sí en sentido longitudinal por

tornillos y articuladas en 2 o 3 puntos formando chamelas, que permiten reducir la sección

para poder ser transportadas hacia la dirección del colado.

88

En el caso de las cimbras estacionarías, estas secciones de 1.00 a 1.50 metros de ancho,

se unen hasta formar longitudes que pueden variar desde 1.00 metros hasta 30.00 o 40.00

metros de longitud. Además, se deberá contar con un mecanismo de gatos hidráulicos o

mecánicos que permitan cerrar la sección de la cimbra haciéndola girar en las charnelas.

Otro elemento indispensable es una estructura de carga de la cimbra que tendrá libertad

de movimiento longitudinal para transportar la cimbra.

Este movimiento puede ser realizado sobre llantas de hule que corren en una plantilla de

concreto previamente fabricada o sobre ruedas de acero que corren sobre vía.

El carro transportador de cimbras monolíticas, cuando se trata de excavación y

revestimiento simultáneos, deberá permitir el paso del equipo para la excavación del

frente.

El ciclo de colado incluye generalmente las siguientes actividades, cuya duración

dependerá de los volúmenes de acero de refuerzo y concreto por colar:

1.- Colocación del acero de refuerzo en la zona por colar. Esta actividad puede ser

simultánea con la colocación del concreto.

2.- Movimiento de la cimbra a la zona por colar, incluyendo alineación y nivelación de la

misma.

3.- Colocación del concreto alrededor de la cimbra. Se utilizan vibradores, para la correcta

compactación del concreto.

4.- Tiempo de fraguado. Este tiempo queda especificado de acuerdo al diseño del

concreto y puede ser de 4 a 10 horas.

5.- Descimbrado. Se efectúa después del tiempo de fraguado, recogiendo los émbolos de

los gatos para iniciar el movimiento a la siguiente zona de colado.

89

En túneles grandes, el revestimiento por cimbra estacionaría es efectuado por partes,

colando primero guarniciones donde se apoyan los rieles donde corren el transportador

que mueve la cimbra, segundo las paredes y bóvedas de la sección, y por último la losa de

fondo.

A continuación se citan las actividades para el caso anterior:

1.- Armado del fierro de refuerzo en guarniciones.

2.- Cimbrado de las guarniciones.

3.- Colado de las guarniciones.

4.- Tiempo de fraguado de las guarniciones.

5.- Armado del fierro de refuerzo en bóveda y paredes.

6.- Movimiento de la cimbra en zona de colado.

7.- Colado de paredes y bóveda.

8.- Tiempo de fraguado.

9.- Descimbrado.

Las actividades 1, 2, y 3 pueden ser simultáneas con las actividades 4 a 9.

8.2 CIMBRA DESLIZANTE :

En cuanto a las cimbras deslizantes, se puede decir que están compuestas de varias

cimbras estacionarias, llamado módulo a cada uno de estos segmentos.

El transportador de los módulos corre dentro de la misma cimbra, para lo cual se

encuentran rieles soldados a la misma. El número de módulos que componen estas

cimbras y que permiten una colocación continua de concreto depende de :

90

• Volumen de concreto por metro lineal.

• Tiempo de fraguado.

• Capacidad de colocación del concreto ( bomba).

• Ángulo de reposo del concreto.

• Longitud de cada módulo.

Estas cimbras deberán contar con :

• Instalación eléctrica (alumbrado y alimentación de motores ).

• Instalación neumática ( vibradores).

• Instalación hidráulica (agua para limpieza).

El concreto que servirá como revestimiento definitivo es diseñado de acuerdo a los

esfuerzos a los que estará sometido él túnel.

Este concreto generalmente es fabricado fuera del túnel ya sea por medio de planta o de

plantas de concreto propias de la obra, o suministrado por ollas revolvedoras que lo

acarrean desde las plantas de concreto externas a la obra.

En ocasiones y cuando es posible, la misma obra podrá explotar algún banco cercano de

roca y triturar sus agregados.

El cemento utilizado cuando es para revestimiento de un túnel que conducirá agua, se

especifica para evitar la acción de los sulfatas (túneles para drenaje y para conducción de

agua potable).

El concreto una vez fabricado y teniéndolo a la entrada del túnel o en la boca de la

lumbrera, deberá ser transportado al frente de trabajo, por medio de una o más bombas

que lo suministraran hasta el frente de trabajo.

La compactación es efectuada por medio de vibradores pegados a la cimbra llamados de

pared o de contacto, y por vibradores de inmersión que se introduce en el concreto a

través de ventanas estratégicamente colocadas.

91

Para cada ciclo de colado se deberá tener en cuenta las siguientes actividades :

1.- Fabricación del concreto.

2.- Carga del concreto de la planta a los vehículos de acarreo.

3.- Acarreo del concreto hasta la bomba.

4.- Bombeo de concreto.

5.- Movimiento de la cimbra.

Las actividades anteriores que componen el ciclo de colado nos lleva a tener balanceadas

capacidades y rendimientos, de tal manera, que la producción de la planta de concreto

deberá estar acorde con el rendimiento de carga y acarreo, rendimiento de bombeo y

velocidad de movimiento de cimbra.

Para cumplir con lo anterior, se requiere del equipo adecuado para cada una de las

actividades:

• Planta o plantas de concreto (fabricación).

• Acarreo del concreto de la planta a la bomba ( ollas mezcladoras, camiones de volteo,

vagonetas, carros agitadores).

• Bomba o bombas de concreto.

• Cimbra.

92

Además existe equipo auxiliar como son :

• Bandas transportadoras.

• Tolva receptora.

• Estructuras para sujeción de las tuberías de bombeo.

• Cambios de vía, etc.

8.3 FABRICACIÓN DE CONCRETO.

Para la fabricación del concreto, en los túneles que constituyen el. Acuaférico, se tenia

instalada la planta en el portal de acceso, siendo esta de la marca ELBA con capacidad

para 30 m3/hr, la cual dosifica los materiales con básculas y mezclado de los agregados

en una bacha con capacidad de 0.5 m3, misma que cuenta con un dispositivo de ascenso

y descenso para el vaciado en la tolva de almacenaje de 7 m3, sitio desde donde son

cargados los carros transportadores de concreto adecuados para las dimensiones de los

túneles ( carros moran ).

8.4 TRANSPORTE DE CONCRETO HASTA EL FRENTE DE COLADO.

El acarreo del concreto durante el recorrido del túnel es mediante los carros

transportadores de concreto ( carros moran ), los cuales tienen una capacidad de 6 m3

aproximadamente, el sistema motriz para llevar los carros transportadores es mediante

locomotoras de motor diesel, los rodamientos se deslizan a través de la vía que se instalan

sobre las dovelas de piso.

93

8.5 TRANSPORTE DE CONCRETO HASTA LA CIMBRA METÁLICA EN EL

ACUAFERICO PERIMETRAL.

Al arribar los carros moran al cambio "California" móvil perteneciente al tren de

instalaciones y con el arreglo de cambios de vía en los extremos, se realiza la maniobra

para el cambio de posición de la locomotora, puesto que por seguridad durante el

recorrido a través del túnel el carro moran siempre es jalado y para realizar el vaciado de

concreto éste debe quedar al frente, una vez en posición de vaciado se realiza la conexión

a la terminal eléctrica para iniciar el proceso de remezclado haciendo girar en ambos

sentidos el cilindro del carro transportador, continuando con el vaciado gradual del

concreto a la tolva receptora con capacidad para 3.0 m3, en la base de esta tolva existe

una canaleta donde se aloja una espiral sinfín para transportar la mezcla a una pequeña

banda ascendente, que en su extremo lo deposita en la tolva de la bomba eléctrica

Putzmeister TTS 2045 E con capacidad de 30 m3/hr y potencia de 50 HP ejercido por un

motor BALDOR Mod. CM 4115T, con salida de 5 pulgadas, a través de tubería del mismo

diámetro el concreto es conducido hasta el dispositivo de tubería plegable perteneciente al

carro colocador de concreto ( snorkel), el que finalmente lo deposita en el espacio entre el

terreno o soporte primario y la cimbra metálica a través de la conexión del brazo giratorio

hacia las boquillas de la cimbra. Cuando el concreto se encuentra en la tolva receptora es

constantemente removido por un dispositivo de aspas mezcladoras, acción que se puede

complementar con el giro inverso del espiral sinfín de la tolva receptora.

94

8.6 COLOCACIÓN DEL CONCRETO.

Depositado el concreto en el espacio anular comprendido entre el terreno natural y la

cimbra metálica, la mezcla fluida va corriendo con su ángulo de reposo y acomodado con

ayuda de dos vibradores de inmersión y vibradores de pared estratégicamente colocados

en las bases que tiene la cimbra en su interior para tal fin; el dispositivo de tubería

plegable y el snorkel tiene la función de deslizarse en los rieles de la cimbra para cambiar

de posición la boquilla giratoria de modo que se pueda vertir el concreto en cualquiera de

las boquillas de la cimbra, con la finalidad de facilitar y optimizar el vaciado, es decir en la

cubeta, parte media o en la clave de la misma.

8.7 MANIOBRA DE DESMOLDE Y CORRIMIENTO DE LA CIMBRA :

Seis horas después de terminado el colado y preparada la siguiente zona a colar, donde

se considera limpieza general, picado de dovelas en las dos caras de contacto con el

concreto nuevo, picado de la cara extrema del colado inmediato anterior y armado de

acero de refuerzo; efectuado esto se procede al desmolde y corrimiento de los módulos de

la cimbra; para facilitar el desmolde y su transporte con la grúa viajera "jumbo", la cimbra

se puede desacoplar en sentido longitudinal en un arco inferior plegable en "V" (cubeta) y

en un arco superior con movimiento de bisagras (concha) dando origen a tres partes

rígidas, una superior y dos laterales; de manera que la cubeta es izada con el balancín por

la parte central y la concha se descansa sobre el jumbo, el que por dispositivos hidráulicos

recorre sobre los rieles hasta posesionar el módulo con intervención topográfica para

nivelar y centrar cada molde.

95

8.8 CURADO DE CONCRETO Y CORRECCIÓN DE ACABADOS:

Cuando se ha procedido al desmolde y de manera inmediata, se aplica una película de

curacreto rojo en toda la superficie del concreto aún fresco, con la finalidad de evitar la

pérdida de humedad y en consecuencia evitar la formación de fisuras por temperatura,

además de optimizar su proceso de fraguado para dar la resistencia de proyecto y

diseño de la mezcla. Respecto al acabado del revestimiento definitivo, se realiza para

retirar el papel y madera del calafateo, se desvanecen escalonamientos, se abren cajas

para retirar material poroso por falta de llenado y se procede a resanar con cemento tipo II

mezclado con arena, estabilizador de volumen y aditivo grout, agua y aditivo para pegar

concretos nuevo con viejo ( adesil 1000).

96

CAPITULO IX

INYECCIONES

9.0 ANTECEDENTES :

Entre las actividades auxiliares en la construcción de túneles, se encuentran los

tratamientos a base de inyección de mezclas a presión por medio de perforaciones

realizadas para este efecto.

Estos tratamientos de acuerdo a su objetivo se clasifican en :

1.- Inyecciones de impermeabilización.

2.- Inyecciones de consolidación.

3.- Inyecciones de relleno en zonas de derrumbe u oquedades.

4.- Inyecciones de contacto.

9.1 INYECCIÓN DE IMPERMEABILIZACIÓN :

Este tratamiento se aplica en túneles con filtraciones de agua permitiendo obtener un

menor costo del bombeo a superficie, al reducir el caudal aportado al interior de la

estructura.

En ocasiones la inyección se realiza previo a la excavación, siempre y cuando se cuente

con datos suficientes que garanticen un sellado definitivo y que permita un avance

continuo en la zona tratada.

Se llegan a obtener presiones de inyectado dei orden de 20 Kg/cnf

97

El procedimiento consiste en la perforación de barrenos con profundidad suficiente para

alcanzar la grieta aportadora de gasto. Posteriormente se inyecta uno a uno los barrenos

hasta lograr la presión indicada. El espaciamiento de los barrenos, diámetro, se

determinan con un estudio geológico previo.

Una vez terminado el tratamiento sé continua con la excavación.

9.2 INYECCIONES DE CONSOLIDACIÓN :

Estas se aplican en los frentes de excavación con el fin de aumentar la resistencia del

material cuando se tiene el temor de que este, al excavarse, no tenga autosoporte, o en

caso de haber ocurrido un derrumbe, consolidar el material fallado y poder continuar con el

avance de la excavación.

El procedimiento consiste en colocar un revestimiento primario de concreto en él frente a

tratar, que sirve como respaldo a la inyección, a través de este revestimiento se dejan

boquillas por las que se inyecta la mezcla que actuara como consolidante.

9.3 INYECCIÓN DE CONTACTO :

Esta actividad se encuentra especificada para toda obra de túnel revestido de concreto y

su función es la de llenar los huecos dejados entre el revestimiento definitivo y la

excavación, con lo que se evitan deformaciones del terreno y concentraciones del propio

revestimiento.

Esta inyección se realiza en tres etapas de acuerdo a las condiciones siguientes :

1.- Vacíos de varios centímetros y aun decímetros de altura en la clave del túnel, que se

rellenaran básicamente en la primera etapa de la inyección y cuando el concreto del

revestimiento definitivo cumple con 14 días de edad.

98

2.- Vacíos con espesor de un centímetro o menos cuando la inyección de la primera etapa

cumple 14 días de edad.

3.- Inyección del dren y zona de cubeta cuando la primera etapa cumple 14 días de edad,

por lo que se puede ejecutar simultáneamente la 2a etapa.

PRIMERA ETAPA :

La inyección se lleva a cabo a través de barrenos perforados de 5 centímetros de diámetro

a cada 8 metros, distribuidos en aureolas alternadas a lo largo del tramo por inyectar. Los

barrenos de ambas aureolas que atraviesan el concreto deben penetrar 10 centímetros en

el terreno.

El orden de inyectado se realiza inyectando con el barreno de más bajo nivel, utilizando

los altos como testigos.

Presión máxima de inyectado 4 Kg/cm2.

SEGUNDA ETAPA:

Se lleva a cabo en secciones de un solo barreno espaciadas 8 metros y localizadas entre

secciones pares e impares.

La secuencia es la siguiente :

1.- Se perforan todos los barrenos.

2.- Se emboquillan y colocan válvulas en los barrenos de las cuatro secciones delante de

la que sé esta inyectando.

3.- Se inyecta el primer barreno.

99

r* T T o B .- ; ¿ C A

4.- Al sellar el barreno anterior sé continua la inyección en la sección siguiente, así

sucesivamente hasta terminar el tramo.

TERCERA ETAPA :

a ) Cubeta :EI volumen de absorción es mínimo y el criterio usado es el señalado para la

segunda etapa.

b ) Drenes : Se fijan secciones a cada 16 metros, con un solo barreno intermedio a los de

cubeta.

En este caso se utilizan 20 mezclas densas por cada 2 mezclas de tipo fluido, repitiendo el

proceso hasta sellar los barrenos.

Otra variante de inyección de contacto es la aplicación en túneles ademados con dovelas

precisamente para llenar los huecos dejados entre el terreno excavado y la dovela.

Las condiciones a cumplir son :

• Rellenar el hueco que existe entre dovela y el terreno excavado.

• La separación entre inyección y el escudo no deberá ser mayor a 20 anillos.

• Evitar que la mezcla de inyección llegue al escudo.

100

CAPITULO X

ADMINISTRACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES :

10.0 ANTECEDENTES:

El proceso constituido por una serie de etapas ejecutadas con la finalidad de determinar y

lograr los objetivos mediante la utilización adecuada y racional de recursos.

Las cuatro funciones fundamentales de la administración son :

• Planeación.

• Organización.

• Dirección o integración.

• Control.

PLANEACIÓN :

Establece los objetos de la obra y cada una de las actividades :

• Estrategias.

• Recursos.

• Políticas.

• Procedimientos.

• Programas.

Para una planeación exitosa se requiere de una toma de decisiones hábil, lo cual consiste

en los siguientes pasos:

101

1.- Diagnóstico.

2.- Determinación.

3.- Evaluación de alternativas.

4.- Selección.

ORGANIZACIÓN :

Establece la estructura de funciones para alcanzar las metas.

Se elaboran organigramas que pueden ser:

a ) Maestros (de toda la obra ).

b ) Complementarios (de cada sección ).

INTEGRACIÓN O DIRECCIÓN :

Dota y maneja los recursos para orientarlos al logro de los objetivos.

Para esta función entran como puntos importantes :

a ) Motivación.

b) Liderazgo.

c ) Comunicación.

CONTROL:

Se comparan los resultados obtenidos con los planeados para poder tomar decisiones

correctivas.

Los pasos a seguir son :

1 ° Establecer estándares.

2° Comparar el estándar establecido con el trabajo real.

3o Ejecutar una acción correctiva en caso necesario.

Los estándares más utilizados son :

1.- Cantidad (volumen de producción ).

2.- Calidad (tolerancias).

3.- Tiempo ( programas).

4.- Costo ( presupuesto).

Una vez realizado el repaso anterior particularizar para las obras de construcción de

túneles:

103

10.1 PLANEACIÓN:

En esta etapa se establecen los programas de cada una de las actividades de la obra que pueden

ser fijadas de antemano, teniendo que planificar recursos y procedimientos capaces de cumplir con

el tiempo previsto pero dentro de una tolerancia lógica.

Si el punto de partida son los recursos y rendimientos, se obtendrán programas cuyo

tiempo de ejecución difiere del caso anterior.

Incorporadas a los programas tenemos los procedimientos de construcción. En la etapa de

la pianeación se definen las políticas tanto internas de la obra, como externas en relación

con las partes que intervienen en su realización como son, cliente, constructor, proyectista

y supervisor.

10.2 ORGANIZACIÓN:

Es indispensable obtener organigramas a la vista incluyendo los nombres de los

integrantes para deslindar responsabilidades en cada tramo o frente. Se contara con un

organigrama a nivel del encargado del personal que interviene directamente en la

ejecución de la obra (sobrestantes)

De acuerdo ai numero de frentes o lumbreras quedara elaborado el organigrama general.

(Fig 1).

10.3 INTEGRACIÓN O DIRECCIÓN :

Los recursos de mano de obra, materiales y equipo deben ser manejados adecuadamente

en esta etapa, tanto para su suministro como en su empleo.

El proceso consiste en elaborar un programa de necesidades para dotar a la obra de estos

elementos y una vez suministrados, utilizarlos adecuadamente para obtener el mayor

rendimiento de ellos.

La mano de obra se empleará conforme a las plantillas de personal previamente

justificadas con rendimientos y actividades.

104

Los materiales convienen ser dotados a la obra de tal manera que su almacenamiento no

sea perjudicial o que la fluidez del suministro ocasione retrasos.

Como ejemplo, si almacenamos todas las piezas metálicas que forman los marcos

determinados como ademe en el túnel de 6.0 metros de longitud, con una separación

entre marcos de 1.00 metro, compuesto de cuatro piezas cada uno, tendríamos 24,000

piezas metálicas, que además de ocupar espacio, la inversión no sería la correcta, por lo

cual se tendrá mayor aprovechamiento de espacio y económico si el suministro fuera

semanal.

10.4 COSTO EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES :

El costo de la construcción de un túnel se integra de la siguiente manera :

Costo Directo + Costo Indirecto = Costo Total

10.4.1 COSTO DIRECTO :

El costo directo queda integrado por los elementos siguientes :

• Costo de la mano de obra.

• Costo de los materiales.

• Costo del equipo.

Este puede ser aplicado en forma independiente a cada una de las operaciones del

procedimiento constructivo.

De acuerdo al nivel organizacional de la obra, se podrá integrar el costo directo.

El ingeniero que interviene directamente en la producción, deberá conocer cuanto le

cuesta cada una de las actividades:

105

• Costo de la excavación.

• Costo del ademe.

• Costo del revestimiento.

Mientras el superintendente de la obra, deberá conocer el costo desglosado en mano de

obra, materiales y equipo. Igualmente el control de costo que se registre, podrá ser diario

para el jefe de frente, semanal para el jefe de obra, y mensual para el superintendente.

De cada una de las operaciones de la construcción del túnel se obtiene su costo

integrándolo en los conceptos de mano de obra, materiales y equipo.

Así, se obtendrá en un túnel excavado en roca por medio de explosivos y ademado por

concreto lanzado:

Costo de la excavación :

• Costo de la barrenación.

• Costo de la carga de explosivos y voladura.

• Costo de la ventilación.

• Costo de la rezaga.

+

Costo del ademe:

• Costo de la cimbra.

• Costo del mezclado de agregados y cemento.

• Costo de la colocación del concreto.

• Madera para retaque.

106

Costo del revestimiento:

• Costo de la producción de concreto.

• Costo de la carga, acarreo y descarga del concreto.

• Costo de la colocación del concreto (incluyendo movimiento de cimbra ).

10.4.2 COSTO TOTAL :

Conviene referir los costos anteriores, a metro lineal de túnel.

La obtención de datos para el registro de los costos es como sigue:

10.4.2.1 COSTO DE MANO DE OBRA :

Se obtiene de las listas de raya.

El departamento o área de personal lo registra.

10.4.2.2 COSTO DE MATERIALES :

Se obtiene de los vales de consumo, el almacén lo registra.

10.4.2.3 COSTO DE MAQUINARIA :

Se obtiene:

a ) De la maquinaria mayor, de acuerdo al número de horas trabajadas en base a los

costos horarios.

b ) Del equipo menor y vehículos, basado en la renta (depreciación, mantenimiento, etc.).

El departamento de maquinaria lo registra.

107

Si se tiene contratados a fleteros para acarreo de materiales, ya sea como suministro

( agregados, cemento, etc ), o como extracción ( acarreo de la rezaga hacia lugares

destinados para su almacenamiento ) tenemos un costo directo llamado "costo de fletes",

cuyos datos se obtendrían de las liquidaciones. El departamento de fletes se deberá

encargar de su registro, o en su defecto el almacén.

Antes de iniciar la construcción de un túnel se generan gastos de instalaciones tanto de

oficinas y campamentos, como del equipo mismo (traslado e instalación ). Estos gastos

hasta el momento de iniciar la producción, tienen un importe que se autoriza a lo largo de

la construcción del túnel. De esta manera se tendrá otro costo directo más, llamado "costo

de amortización" y que también puede considerarse por metro lineal de túnel.

10.4.2.4 COSTO INDIRECTO :

Se desglosa de la siguiente manera :

• Gastos generales de la obra.

• Gastos generales de oficina matriz (en caso de existir).

Los principales conceptos que generan los gastos generales de obra son :

• Vehículos.

• Combustibles.

• Mantenimiento.

• Sueldos y prestaciones de personal técnico y administrativo.

• Mobiliario y equipo de oficina.

• Costo del campamento.

• Mantenimiento de oficinas.

• Vigilancia.

• Papelería.

• Servicio medico.

108

• Energía eléctrica.

• Arrendamientos.

• Costos legales.

• Seguro social.

• Gastos de comedor.

• Correos, teléfonos, telégrafos, radios, etc.

109

CAPITULO XI

11.1 CONCLUSIONES:

Los verdaderos túneles se construyen excavando por debajo, como en las minas. El

método de construcción esta regido por la capacidad del suelo para sostenerse a si mismo

temporalmente, durante el proceso de la excavación y por las presiones que finalmente se

producen en el sistema de soporte. Ambas están relacionadas con la profundidad del túnel

y su diámetro, las propiedades elásticas y la resistencia del suelo y con la presión del agua

subterránea. Con la excepción de algunas arcillas resistentes y formaciones parcialmente

saturadas, la mayoría de los túneles en tierra requieren soportes, tanto durante la

construcción como después.

Sobre el nivel freático, en suelos relativamente firmes, la excavación se inicia por la parte

superior techo del túnel y continua hacia abajo en etapas. La excavación se hace lo más

grande posible dependiendo la capacidad del suelo para soportarse a si mismo

temporalmente. En la etapa inicial el suelo es soportado por planchas de revestimiento

que son planchas de acero con pestañas o rebordes que se pueden atornillar unas con

otras para formar un revestimiento continuo o con un entablonado de madera o de acero

soportado por vigas de acero; Se excava entonces la segunda etapa y se soporta en

forma similar. El proceso continúa hasta que se hayan unido todas las planchas que

forman una sección completa del túnel. Alguna veces el revestimiento se refuerza con

vigas curvas de ala ancha o arcos.

Si el suelo es muy blando se emplea un soporte cilindrico temporal llamado escudo que se

introduce en el suelo por medio de gatos. El frente de la excavación es soportado por un

mamparo equipado por portones que permiten la excavación de una porción limitada del

frente cada vez. El revestimiento permanente se construye dentro del escudo a medida

que progresa la excavación, entonces se hace avanzar el escudo utilizando el túnel ya

terminado como cámara de atraque.

no

La construcción con tablones requiere un soporte permanente, generalmente un

revestimiento de concreto. Él. Soporte temporal de planchas en ocasiones pasa a ser

definitivo, pero corrientemente se protege contra la corrosión con una cubierta de

concreto.

Él suelo inalterado se encuentra en estado de reposo, este estado es alterado por la

excavación y sí él. Suelo es suficientemente fuerte se duplica él. Esfuerzo de compresión

en él. Anillo hipotético alrededor del túnel, produciéndose una deformación hacia él.

Interior.

Un túnel así puede ser que no requiera soporte. Un túnel sin revestimiento, que ha estado

suministrando agua, por mas de 40 años sin peligro alguno, pero sin embargo, la fluencia

con altos esfuerzos causara una reducción progresiva del diámetro. En algunos casos

aislados este estrechamiento del túnel ha reducido el área a una fracción de su tamaño

original. Los soportes o el revestimiento puede evitar ese estrechamiento.

Debido a la presión en los túneles en arena, es necesario emplear, soportes durante la

construcción y permanentemente. Es inevitable que se produzca alguna deformación

hacia él. Interior durante la excavación.

El arte o habilidad de hacer túneles, es fascinante. La técnica de excavación debe

adaptarse a las condiciones del suelo y del agua subterránea. Los revestimientos,

temporales, él. Drenaje, la estabilización del suelo y la presión de aire interior para

balancear parcialmente la presión del agua, son medios auxiliares utilizados por los

constructores de túneles.

Así mismo, espero que este trabajo sirva como una información practica y dinámica en la

construcción de túneles y lumbreras, ya que tomando las decisiones correctas se podrá

eficientar en tiempo y costo, lo cual es fundamental para todo tipo de construcción, ya que

en este tipo de obras las determinaciones y toma de decisiones se efectúan en el frente de

excavación, sin dar oportunidad en casos reales a la consulta o proceder a reuniones que

para el caso frenarían el proceso constructivo y en ocasiones hasta llegar a suspender los

avances lo cual es sumamente perjudicial para la empresa constructora.

i n

BIBLIOGRAFÍA :

• SIMPOSIO TECNOLÓGICO. MEXICANO AUSTRÍACO.

CONFERENCIA No. 5 MODERNA TECNOLOGÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES.

• ALIVA AKTIENGESELLSCHAFT. POSTFACH 69 CH-8967 WIDEN. SCHWEIZ.

• ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CONCURSO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL ACUAFERICO PERIMETRAL DE LA CIUDAD DE MEXICO.

• PROYECTO EJECUTIVO DE SANEAMIENTO DE LA CUENCA BAJA DEL RIO SAN JAVIER, ( DRENAJE SEMIPROFUNDO ). TLALNEPANTLA DE BAZ, EDO DE MEXICO.

• LA INGENIERÍA DE SUELOS. ALFONSO RICO Y HERMILO DEL CASTILLO. VOLUMEN I.. EDITORIAL LIMUSA, S.A. 1974.

• MECÁNICA DEL SUELO. ( CIMIENTOS Y ESTRUCTURAS DE TIERRA ). TSCHEBOTARIOFF. EDITORAI. AGUILAR. MADRID. TERCERA EDICIÓN, 1963.

• SIMPOSIO. EXPERIENCIAS GEOTECNICAS, EN LA ZONA PONIENTE DEL VALLE DE MEXICO. 19 DE JUNIO 1992. SOCIEDAD MEXICANA DE MECÁNICA DE SUELOS.

• ANÁLISIS Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS DE LUMBRERAS DEL SISTEMA DE DRENAJE PROFUNDO DE LA CIUDAD DE MEXICO. M. en I. FRANCISCO O. AMAVIZCA R. ING. RAFAEL ZAVALA GARCIA.

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