Propuesta de una Metodología para el Diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas...

Universidad de OrienteFacultad de Construcciones

Departamento Ingeniería Civil

Trabajo de Diploma enOpción al Título de

Ingeniero Civil

Título: Propuesta de una Metodología para elDiseño del revestimiento estructural de túneles

en rocas malas o muy malas.

Autor: Ridel Orez AriasTutor: Yanosky Pérez Díaz

Santiago de Cuba,Junio, 2014

Dedicatoria PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

I

A mi familia, en especial a:

A mis abuelos Radalia y René

A mi madre Mirella y a mi padre Pascual

A mis hermanos

A mis amigos, en especial a Jorge y Maikel

A mi novia

A mí, por todo.

Agradecimientos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

II

A Radalia, por su voluntad de acero.

A René, por la crianza.

A Mirella por la vida creada y los años de apoyo.

A Pascual, por ser el promotor de la disciplina.

Agradezco a mis tías y tíos, por su preocupación.

A mis primas y primos.

A toda mi familia

A mi tutor Yanosky Pérez Díaz por su confianza y ayuda, y a su esposa poracogerme en su casa.

A mis amigos.

A mi novia.

A mi suegra Aida por los regaños y la preocupación; a mi abuela políticaLidia.

A Diana, por llevar en su vientre a mis hermanos de crianza; por el cariño yla ayuda.

A Susana, por ser mi madre de Guantánamo y a Laude, por su café y susvasos de agua.

A todos mis amigos: Jorge, Maikel, Yusel, Nilo (padre e hijo), Rudy, Blanca,Odalis, Vargas, Rene, Marlenis.

A Yaritza y a mi ahijada Sahira.

A Fredy (El Pulpo) y a Leidismir por acogerme como un sobrino natural.

Agradecimientos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

III

A Daylis, Diosmaikel, Carmen y Pepe.

A Arnaldo por los aseguramientos.

A Rubi, por su preguntadera.

A mi suegro y mi cuñado por ser y estar.

A la vida, por haberme permitido conocer a Valentín Orez

A todos los que de cierta manera colaboran con la materialización de esteTrabajo de Diploma y que por problemas de memoria o espacio no aparecenen estas páginas.

Exordio PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

IV

“… un túnel no es un agujero más en la tierra. En términos estrictamenteprácticos se trata de una obra de ingeniería extraordinariamente sofisticada.Y nunca fue sencilla ni segura.”

Ernest Wahlstrom, Muerte en el Túnel

Resumen PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

V

El presente trabajo de diploma es producto de una investigación científica

desarrollada en la provincia de Guantánamo a fin de optimizar el diseño estructural

del revestimiento de túneles en rocas malas o muy malas.

El cuerpo del informe se divide en dos capítulos: el primero estructurado con una

reseña histórica de la construcción de los túneles, en el mundo y en Cuba, así

como su utilización, funciones, desarrollo y perspectivas y las metodologías de

cálculo más utilizadas.

El segundo capítulo estará dedicado a profundizar en el diseño geotécnico de

túneles, los materiales utilizados y sus características, las formas geométricas que

se observan en su construcción, un análisis de los estados de carga y la síntesis

de todos estos conocimientos en la propuesta de una metodología de diseño para

el revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas.

La realización de este trabajo permite dotar a los profesionales de una

metodología precisa y específica para el diseño del revestimiento estructural de

túneles en rocas malas o muy malas.

Abstract PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

VI

The present diploma work is product of a scientific investigation developed in the

territory of Guantánamo in order to optimize the structural design of the lining of

tunnels in bad and very bad rocks.

The body of the report is divided in two chapters: the first one structured with a

historical review of the construction of the tunnels, in the world and in Cuba, as well

as their use, functions, development and perspectives and the used calculation

methodologies.

The second chapter will be dedicated to deepen in the geotechnical design of

tunnels, the constructions materials and its characteristics, the geometric forms

that are observed in its construction, an analysis of the load states and the

synthesis of all these knowledge in the proposal of a design Methodology for the

structural lining of tunnels in bad and very bad rocks.

The realization of this work will allow to provide to the professionals of a precise

and specific methodology for the design of the structural lining of tunnels in bad

and very bad rocks.

Índice PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

VII

Introducción 1CAPÍTULO I. Túneles: construcción. Revestimiento. Estado delarte. Reseña histórica de los túneles y metodologías de cálculoutilizadas.

9

1.1 Historia y evolución de los túneles 9

1.2 Utilización de los túneles. Funciones, desarrollo y perspectivas 171.3 Estado del arte del diseño y construcción de túneles 19

1.4 Sostenimiento y revestimiento: diferencias y utilidades. 251.4.1 Sostenimientos y revestimientos de túneles utilizados en

Cuba27

1.5 Particularidades y funciones del revestimiento estructural entúneles.

28

1.6 Diseño del revestimiento estructural de túneles 30Capítulo II. Análisis de los resultados obtenidos y propuesta de laMetodología para el diseño del revestimiento estructural de túneles

34

2.1 Diseño geotécnico de túneles 342.2 Materiales utilizados 41

2.2.1 Hormigón armado 422.2.2 Hormigón con fibras. 422.2.3 Bulones 432.2.4 Aditivos 44

2.3 Forma geométrica del túnel. 452.4 Estados de cargas 462.5 Diseño sísmico de estructuras subterráneas. 482.6 Propuesta de metodología para el diseño del revestimiento detúneles

50

2.7 Ejercicio demostrativo. 52Conclusiones 66Recomendaciones 68Glosario 69Bibliografía 70Anexos 78

Introducción PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

1

A lo largo de la historia los hombres han construido túneles, al principio como

medio de acceso a minerales subterráneos y luego como vías de comunicación.

Las metodologías para su edificación han variado con el desarrollo de las

tecnologías, partiendo de estudios y observaciones, así como la creación e

implementación de un conjunto de técnicas para la materialización eficiente de

estas obras.

Los túneles son obras subterráneas de carácter lineal, cuyo objeto es la

comunicación entre dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales

o cosas; generalmente son artificiales.

La ejecución de túneles se impone en la construcción de:

Carreteras

Ferrocarriles y Líneas de Alta Velocidad

Canales

Pasos inferiores en canales, ríos, estrechos o brazos de mar

Obras hidráulicas

Obras urbanas

Refugios subterráneos

Explotaciones mineras

También hay túneles diseñados para servicios de telecomunicaciones, algunos

edificados para el paso de ciertas especies de animales e incluso conectan zonas

en conflicto o tienen carácter estratégico, ya que sirven como refugio.


2

Mucho es lo que se ha avanzado en el diseño y la construcción de túneles desde

su surgimiento en la antigüedad hasta la actual fecha. Los métodos varían en

cuanto a la perforación, el diseño, la construcción y el revestimiento.

Las características finales de un túnel dependen, entre otros factores, de los

suelos en los que estén enclavados y de su función; así como de la forma en la

que hayan sido diseñados. Estos dos aspectos, de conjunto con la tecnología y los

métodos de construcción influyen de manera categórica en su durabilidad y

comportamiento. Es por ello que resulta necesario conocer al detalle estos

elementos antes de diseñar el revestimiento de cualquiera de estas estructuras.

Al igual que se han realizado numerosos avances tecnológicos en la maquinaria

utilizada en los túneles, también se han producido sustanciales mejoras en los

diferentes métodos de sostenimientos y revestimientos.

El revestimiento en un túnel, puede o no, ser un elemento estructural, pero de

cualquier manera sirve para mejorar el aspecto estético y las características

operacionales del mismo. En el caso de los túneles viales, en el interior del

revestimiento, se alojan las instalaciones eléctricas, drenajes, redes de telefonía y

cableado en general; por otra parte con su construcción se mejora la rugosidad de

las paredes internas dando un mejor aspecto visual y mejores condiciones para el

flujo de aire, agua o cualquier otro fluido que se quiera transportar.

Los revestimientos en túneles hidráulicos se utilizan además para impermeabilizar

el sistema, disminuyendo de esta forma las pérdidas en su recorrido.

La acumulación de nuevos conocimientos y experiencias sobre el “Revestimiento

de Túneles”, provenientes de estudios analíticos y experimentales, la revisión

bibliográfica y documental, así como la observación del comportamiento de éstos,

bajo diferentes circunstancias y en diversas geografías, es una necesidad

apremiante del campo teórico y práctico de la ingeniería civil.


3

El diseño de los túneles toma auge a partir del siglo XIX y aunque existe una

bibliografía detallada sobre este tema- Scotti, G y G. Russo (2005) Serie:

Ingeniería de Túneles. Madrid. Río Rosas. Universidad Politécnica de Madrid- la

misma es de difícil acceso, pues no se encuentra en red y existen en Cuba muy

pocos ejemplares de esta serie de libros.

En el caso del diseño del revestimiento, los documentos que se pudieron consultar

para la realización de esta investigación se refieren a experimentos y situaciones

particulares1, lo que demuestra la necesidad urgente de acumular conocimientos,

metodologías y teorías sobre el diseño del revestimiento de túneles alrededor del

mundo, pues si bien las teorías pueden adecuarse en dependencia de la región

geográfica donde se vaya a aplicar, deben existir preceptos básicos que no deben

violarse en el diseño e implementación de este componente en las obras

subterráneas.

Actualmente, alrededor del mundo, se reviste sobre la base de métodos numéricos

y software de diseño que arrojan los datos necesarios para la construcción. En

Cuba se reviste a partir de métodos empíricos y teniendo en cuenta muy pocos de

los conocimientos que hasta el momento se acumulan en este campo. Para el uso

de los métodos numéricos son necesarios varios ensayos de laboratorio con

tecnología no existente en el país.

En estos momentos en el país, específicamente en la zona oriental, se realiza la

proyección y construcción de los trasvases. Actualmente se construye el Este-

Oeste en la provincia de Holguín y se proyecta el Norte–Sur en Guantánamo.

Según la estrategia de desarrollo hidráulico a largo plazo de este último territorio,

se hace necesaria la construcción de túneles para el trasvase de agua de zonas

de alta probabilidad de lluvia hacia zonas secas, con el objetivo de potenciar el

desarrollo agrícola y ganadero de la provincia además del abasto a la población.

1 Ver Bibliografía


4

La mayoría de los túneles propuestos cruzan macizos montañosos, con rocas

caracterizadas como malas o muy malas, y muchos de ellos con sistemas de

fallas; generalmente se hallan enclavados en zonas sísmicas de alrededor de 0.2g

de aceleración2.

Esto implica que además del diseño geotécnico del sostenimiento de los túneles

se debe hacer un diseño estructural del revestimiento. Para esto los ingenieros

cubanos no cuentan con una metodología o manual que unifique los criterios de

proyecto; incorporando las normas cubanas actuales, para lograr secciones de

túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad.

Teniendo en cuenta lo que hasta el momento se ha expuesto sobre los

conocimientos que se acumulan sobre el diseño del revestimiento alrededor del

mundo podemos concluir que existe una Contradicción fundamental entre la

variedad de métodos y criterios utilizados actualmente para el diseño del

revestimiento, en Cuba, y la necesidad de contar con una metodología única para

ello, lo que se traduce como la Necesidad de crear una metodología de diseñopara el revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas, lo

cual constituye el problema científico de este trabajo de diploma.

Por tanto los túneles en rocas malas o muy malas son el Objeto deinvestigación.

El objetivo de la investigación, es elaborar una metodología para el diseño del

revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas que unifique los

2 La aceleración sísmica es una medida utilizada en terremotos que consiste en una medición directa de lasaceleraciones que sufre la superficie del suelo. A diferencia de otras medidas que cuantifican terremotos,como la escala Richter o la escala de magnitud de momento, no es una medida de la energía total liberada delterremoto, por lo que no es una medida de magnitud sino de intensidad. Es la medida de un terremoto másutilizada en ingeniería, y es el valor utilizado para establecer normativas sísmicas y zonas de riesgo sísmico.Durante un terremoto, el daño en los edificios y las infraestructuras está íntimamente relacionado con lavelocidad y la aceleración símica y no con la magnitud del temblor. En terremotos moderados, la aceleraciónes un indicador preciso del daño, mientras que en terremotos muy severos la velocidad sísmica adquiere unamayor importancia. Ver Anexo 12.


5

criterios de proyecto, incorporando las normas cubanas actuales3, para lograr

secciones de túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad requerida.

El Campo de acción de esta investigación es el diseño estructural del

revestimiento de los túneles.

La Idea científica a defender expone que La creación de una metodologíapara el diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas malas omuy malas permitirá la homogenización de estos procedimientos para laobtención de resultados seguros y duraderos.

Para dar tratamiento al objetivo presentado en esta tesis, se plantearon los

siguientes objetivos específicos y tareas científicas:

Objetivos específicos:

1. Brindar un estado del arte sobre el diseño de túneles en el mundo y en

Cuba.

2. Utilizar la base legal vigente en Cuba, aplicable al objeto de investigación.

3. Homogenizar el diseño estructural del revestimiento de túneles mediante

una metodología de diseño de lo anterior.

4. Comprobar mediante un ejemplo la factibilidad de la metodología

propuesta.

Tareas científicas:

1. Fundamentación de los antecedentes históricos que abordan el objeto de

investigación.

2. Sistematización de los referentes teóricos prácticos en los que se sustenta

el diseño estructural de túneles.

3. Diagnóstico del estado actual en que se encuentra el diseño de túneles en

el mundo y en Cuba.

3 Como normas actuales tenemos: NC 450: 2006 de combinaciones de carga; NC 463.2009 Guía delhormigón proyectado; NC 470-2009 Colocación hormigón por método de bombeo; NC 228-1Aditivos parahormigones.


6

4. Elaboración de la metodología que cuente con criterios y fundamentos

normativos para el diseño estructural del revestimiento de túneles.

5. Valoración de la factibilidad de la propuesta.

La dialéctica materialista constituye el método general del cual se parte para el

diseño, desarrollo y análisis de los resultados de la investigación y se emplearon

métodos teóricos y empíricos, para los fines propuestos.

Para la realización de la investigación se aplicaron los siguientes métodoscientíficos:

Nivel teórico:

Histórico-lógico: Para determinar las tendencias históricas, estudiar y revisar

gradualmente la construcción de túneles y sus procedimientos, más

específicamente en Cuba.

Análisis y síntesis: Para todo el procesamiento de la información recopilada así

como de los datos obtenidos que permitió definir los sustentos de la investigación.

Inducción-deducción: para el razonamiento lógico tanto del objeto como del

campo de la investigación y todo el abordaje teórico, dimensiones y métodos.

Modelación Sistémico estructural funcional: en la concepción general de la

investigación y en el análisis del proceso de diseño del contenido didáctico de la

metodología propuesta.

Nivel empírico:

Observación: Para constatar en los diseños existentes, criterios de diseño,

ubicación y métodos de diseño utilizados.

Revisión Documental: Para la revisión de la bibliografía disponible sobre el tema

y otras literaturas afines, así como la revisión de proyectos realizados.

Entrevista: Para diagnosticar el estado actual del campo.


7

Nivel matemático: Software de análisis estructural: SAP 2000, como parte del

análisis propuesto en la metodología.

Otros elementos que caracterizaron esta investigación son los siguientes:

Novedad científica: Una metodología para el diseño estructural de túneles que se

encuentre ubicados en rocas malas o muy malas que unifica métodos y criterios

de diseño utilizados.

Aporte metodológico: Desde el punto de vista metodológico, esta investigación

aporta como resultado, el perfeccionamiento del instrumental metodológico y de

análisis, existente para el diseño y revisión de obras subterráneas.

Aporte práctico: Con la aplicación de la metodología se logran secciones de

túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad requerida a partir de la

aplicación de la base legal vigente, criterios valorados y la optimización de los

cálculos.

Justificación de la Intervención:

Como se expone anteriormente el desarrollo hidráulico y por consiguiente agrícola

del país se basa en la construcción de los trasvases; los cuales llevan implícito los

túneles.

En Cuba, generalmente el diseño de túneles estuvo reservado a la minería y la

geología, los cuales usan métodos y criterios geológicos para su diseño. En estos

momentos no existen normas o regulaciones que tutelen esos diseños y con la

introducción al país de nuevas tecnologías y materiales de construcción, los

diseños se basan en literaturas y métodos extranjeros.

Luego de la aplicación de los métodos de nivel empírico se nota dispersión en

cuanto a los criterios de diseño por parte de los proyectistas. En cuanto a los

métodos de diseño y construcción están mucho más ajustados al uso de la

tecnología existente en el país.


8

Los resultados de las entrevistas evidencian que se utilizan los métodos y

bibliografía extranjera, pero existe muy poca compatibilización con las bases

legales cubanas; o sea los diseños están sujetos a la bibliografía disponible por el

ingeniero encargado y a su experiencia en el tema.

Estructura del trabajo:

-La primera parte del trabajo es la Introducción (justificación-objetivo y diseño

metodológico de la investigación)

-La segunda parte (Capítulo I) aborda sobre los túneles, su construcción, el

revestimiento, estado actual, reseña histórica de los túneles y metodologías de

cálculo utilizadas.

- La tercera parte (Capítulo II) será el análisis de los resultados obtenidos a partir

de la aplicación de los métodos y las técnicas de investigación, además de la

creación de la propuesta y su comprobación, particularizando en el objeto preciso

que nos ocupa.

-Para finalizar se ofrecerán las Conclusiones y Recomendaciones, resultantes de

la investigación, así como una relatoría de la bibliografía utilizada, la definición de

términos y los Anexos.

Capítulo ITÚNELES: CONSTRUCCIÓN. REVESTIMIENTO. ESTADO DEL ARTE.

RESEÑA HISTÓRICA DE LOS TÚNELES Y METODOLOGÍAS DECÁLCULO UTILIZADAS.

9

En este capítulo se expone la historia del diseño y construcción de túneles, así

como su estado actual en el mundo y en Cuba. Además el acápite brinda una

visión de la relación entre las formas de construcción y los diseños. Se definen las

partes componentes del túnel y se especifica las funciones de ellas.

Posteriormente se sistematizan y resumen los conceptos, criterios y métodos

existentes a nivel mundial y nacional sobre el revestimiento de túneles, la

diferencia del mismo con el sostenimiento y se explicita la importancia de ambos

componentes dentro de este tipo de estructura soterrada.

1.1. Historia y evolución de los túneles.

Existen diversos conceptos para la palabra túnel: Según la Real Academia de la

Lengua Española es un “paso subterráneo abierto artificialmente para establecer

una comunicación”. En la Ingeniería Civil se define como una construcción

subterránea, cuyo fin es el de comunicar dos puntos, para el transporte de

personas, materiales entre otras cosas. Generalmente es edificado por el hombre.

Los seres humanos iniciaron su exploración hacia las entrañas de la tierra

imitando a los animales, en busca de agua, alimentos y refugio. Desde los

primeros años de la historia resulta impresionante la tremenda perseverancia y el

desprecio por el riesgo que mostró el hombre desde los orígenes de la humanidad,

en sus intentos por perforar la Tierra, partiendo inicialmente sólo de las propias

manos y la fuerza bruta y posteriormente confeccionando, poco a poco,

herramientas rudimentarias como martillos, picos y cinceles. A estas

construcciones soterradas se les denominó túneles, del término inglés Tunnel4.

Históricamente, la más antigua de estas edificaciones de la que se tiene

constancia, gracias a los relatos de Diodoro de Sicilia5, es la construida en

Babilonia para comunicar el templo de Belos y el Palacio, bajo el rio Eúfrantes en

el año 2200 a.C (Juncá: 1991).

4 El vocablo inglés tunnel proviene de siglo XV, del término tonel, francés antiguo, y del Latín Medievaltunna, que significan barril pequeño.5 Historiador griego del siglo I a. C., nacido en Agirio (hoy Agira), en la provincia romana de Sicilia.



10

Aunque fueron los antiguos egipcios quienes marcaron el inicio de lo que sería

una constante transformación en el arte de la construcción de túneles. Su principal

herramienta fue el fuego, empleado en un procedimiento que fue muy utilizado en

esta etapa de la historia. El mismo consistía en la habilidad de romper la roca

provocando incendios con leña en el frente de ataque del túnel y apagando

bruscamente las llamas con agua fría; el proceso de calentamiento y enfriamiento,

producía un brusco gradiente térmico que daba lugar a la fractura y

resquebrajamiento de la roca que se agrietaba, desprendiéndose y proyectándose

con fuerza, lajas y fragmentos, con gran peligro para los trabajadores.

Esta técnica fue copiada por los ingenieros de la Antigua Grecia y Roma,

difundiéndose por toda Europa y permaneciendo vigente hasta la introducción de

la pólvora y los explosivos.

En Egipto, en la Antigüedad, el uso de los túneles tenía un carácter esencialmente

religioso, actitud que también fue asumida por los territorios de India y China

posteriormente.

Ya en la Edad Media, con la transformación de la base económica, la minería se

fortalece como actividad productiva y por estas razones la cantidad de

construcciones subterráneas aumenta, perfeccionándose con ello los métodos

constructivos. El Renacimiento toca también a estas estructuras, de las que habla

Da Vinci en sus proyectos de ciudades, ambicionando ir más allá de los macizos

montañosos. El primer túnel de este período histórico es la Mina de Daroca, de

600 metros de anchura y una altura entre los 7 y 8 metros. Pierre Bedel6 fue el

autor de esta obra.

En el siglo XVIII inicia una época conocida como La Era de los Canales, etapa en

la que los túneles comienzan a cobrar verdadera importancia. Entre ellos se

destaca la construcción del túnel de Malpas, cerca de Beziers, en el Canal de Midi,

6 Arquitecto, ingeniero y escultor francés, que trabajó en el sur de Aragón en el siglo XVI. Construyó elAcueducto Los Arcos (Teruel) (1555 - 1562) y la Mina de Daroca.



11

para la unión de dos mares. Con 155 metros de longitud y 8 de altura, fue

perforado por Pierre-Paul Riquet7.

Con el desarrollo del ferrocarril se impone como reto la posibilidad de atravesar

terrenos montañosos, salvar estos macizos constituía una prioridad fundamental

para el avance de esta industria. Es a partir del siglo XIX cuando estas

edificaciones tienen su gran auge. En la hazaña de la construcción de los túneles

alpinos, se recuerdan los nombres de Mont Cenis, San Gotardo y Simplón,

quienes constituyeron una tríada titánica en la lucha de perforar los Alpes, lo que

constituye sin dudas el mayor punto de tensión en la historia de estas estructuras.

La construcción de estos medios de comunicación artificial entre dos puntos

separados por un suelo o roca se ha prolongado hasta la actualidad,

perfeccionándose paralelamente al desarrollo de la tecnología y las técnicas en la

construcción. El diseño de los túneles solo vino a tomar importancia a partir de la

primera mitad del siglo pasado, pues anteriormente solo se construían de forma

empírica.

La proliferación de las grandes urbes, la masificación del metro como medio de

transporte en las ciudades densamente pobladas, extendió la construcción de

estas estructuras hacia escenarios citadinos, constituyéndose en una de sus

principales funciones en la actualidad la del transporte.

Debido a su utilización diversa en los tiempos presentes, estas estructuras elevan

su importancia a medida que la sociedad avanza y son inevitables en grandes

núcleos urbanos muy masificados por edificios para establecer líneas de metro,

también en la comunicación de poblaciones separadas por una orografía

pronunciada o incluso por mar, como es el túnel del Canal de la Mancha. Estos

7 Pierre- Paul Riquet, barón de Bonrepos, fue el ingeniero que llevó a cabo la obra del Canal de Languedoc.Su padre, Francois-Guillaume Riquet, formó parte de un grupo de estudio que se había dedicado a laconstrucción de un canal que uniera el Atlántico al Mediterráneo, abandonado al ser incapaces de encontraruna solución al problema del abastecimiento de agua. Riquet consiguió superar este problema gracias a suconocimiento del macizo montañoso de la Montagne Noire, donde aplicó las teorías del ingeniero provenzalAdam de Craponne marcando un punto de divisoria de aguas a partir del cual éstas se vertían en unadirección u otra.



12

nuevos escenarios han exigido de los túneles una mayor seguridad, lo cual ha

recaído principalmente en la actividad de diseño, de ahí su tardío desarrollo.

Han existido numerosas razones para la edificación de un túnel, las más

habituales para desarrollarlos son:

a) Terreno: la topografía puede limitar la implantación de una obra lineal cuyas

especificaciones obligan a tener pendientes límites.

b) Economía: en muchas ocasiones resulta más rentable atravesar un obstáculo

mediante un túnel que rodearlo; por lo cual, es lógico pensar que el tiempo

también puede disminuir considerablemente al ejecutar un túnel en vez de

decantarse por rodear el obstáculo.

c) Ordenación urbanística y de tráfico: la implantación de metros facilita la

movilidad en las grandes urbes.

d) Estética y salud: para la circulación de aguas residuales y saneamiento en las

ciudades.

e) Minería: aunque se suelen denominar galerías o pozos, dependiendo de la

orientación, su fin es unir dos puntos, para acceder a una mineralización.

En dependencia de su uso y de las características del terreno en el que se va a

construir, existen diferentes tipos de secciones de túneles y galerías, las más

utilizadas quedan reflejadas a continuación en la Figura 1.1.



13

Figura 1.1- Tipos de secciones de túneles

En el caso de Cuba, existen una pequeña cantidad de túneles, construidos

generalmente para fines hidráulicos y unos pocos para el transporte de personas.

En esta última función uno de los de mayor longitud es el Túnel de La Habana que

discurre por debajo de la Bahía de la ciudad y figura entre las siete maravillas de

la ingeniería civil cubana.

Con una longitud de 733 metros, a una profundidad de 12 ó 14 metros

aproximadamente, fue construido por la empresa francesa Societé de Grand

Travaux de Marseille, en los años 1957 y 1958, culminándose el 31 de

mayo de 1958.

El ingeniero cubano José Menéndez Menéndez, director de la obra diseñó, según

su carta técnica, un sistema de tubos de hormigón reforzado, capaz de soportar

grandes toneladas de agua, lo cual lo convierte en un medio seguro y eficiente

para el transporte de vehículos8. La altura del túnel es de 4,25 metros, por lo que

está limitado el acceso para algunos medios de transportación de gran tamaño. El

8 El tránsito de un extremo a otro del túnel se realiza en unos 45 segundos a 60 kilómetros por hora, cuando eltráfico se comporta con normalidad. En muy pocas ocasiones se ven embotellamientos en el movimientovehicular. Según las estadísticas, unos 32 mil vehículos hacen uso de las facilidades de este túnel habanerocada día.



14

costo de esta colosal obra fue de unos 30 millones de dólares y su ejecución duró

32 meses.

Aunque no es el único túnel9 existente en la ciudad de La Habana se le denomina

así por la gran importancia que tiene para el transporte en la misma.

Otro túnel dedicado al transporte es el del ferrocarril Martí, de la provincia de

Matanzas, obra de ingeniería, situada en central azucarero “Esteban Hernández”

que atraviesa una cordillera de montañas. Su principal ventaja ha sido servir como

apoyo a la producción azucarera. Su construcción data del año 1915, con 5 m de

ancho por 5 m de alto y unos 90 m de largo, actualmente se utiliza para el

transporte vial.

En la zona oriental contamos con una construcción soterrada, en la provincia de

Santiago de Cuba. Ubicado en el municipio de Songo-La Maya, el túnel tiene

como objetivo acortar la distancia entre municipio con la vecina provincia de

Guantánamo, evitando así las empinadas y peligrosas curvas de la carretera que

antes comunicaba a estos dos territorios.

También, posterior al triunfo revolucionario, en el país, proliferaron los túneles en

su función de refugios. También son conocidos como túneles populares, los

mismos surgen como resultado de las orientaciones del Comandante en Jefe Fidel

Castro Ruz al pueblo revolucionario, de construir, en tiempo de paz, túneles

populares en toda la nación con el propósito de garantizar su protección y

defensa.

9 Otros dos conocidos túneles habaneros son el de Línea y el de Quinta Avenida. Construidos en los años 50de pasado siglo en el sector del río Almendares, cercano a su desembocadura, sustituyendo dos puentes quehasta ese momento posibilitaban enlazar a importantes zonas de la ciudad como eran el Vedado y laaristocrática barriada de Miramar. El primer túnel que se construyó fue el que enlazaría la avenida de Líneaen la parte del Vedado y la Avenida 31, este fue el primer viaducto bajo agua que se inauguró en la capitalcubana. Por su parte, el túnel de Línea se construyó bajo el método de fundir en el río los tubos queconformarían los conductos, para lo que se realizó una especie de dique seco de una orilla hasta la mitad delcauce del río donde fundirían los dos primeros fragmentos de tubos, dejando la otra mitad del cauce para elfluir del agua. Cuando estuvo terminada la fundición de esas dos primeras mitades, se dejó pasar el río porese lado y se procedió a las labores de encofrado del dique constructivo por el otro para completar losconductos.



15

En el país, en estos momentos el mayor índice de diseño y construcción se

concentra en los túneles hidráulicos10, principalmente utilizados en los trasvases.

En el caso de la presente investigación centraremos nuestra atención en el diseño

de los anteriores, por lo que resulta de vital importancia definirlos.

Los túneles hidráulicos son los destinados a conducir agua. Existe amplia

variedad en cuanto a su uso:

-Aprovechamiento hidroeléctrico.

-Abastecimiento de agua.

-Riego.

-Saneamiento.

-Drenaje, evacuación de tormentas, etc.

Desde el punto de vista de su construcción, no presentan diferencias importantes

con otros túneles, exceptuando el hecho, sobre todo en los trasvases, proyectos

en los que estas construcciones suelen ser más largas y, en general, de menor

sección que los de transporte.

La obra hidráulica más significativa que se realiza en Cuba actualmente es la del

Trasvase Este-Oeste, en la zona oriental del país, con el objetivo de trasladar

agua desde las zonas de máximas precipitaciones hacia los territorios más secos

enclavados en la región oriental. Como parte de esta obra se hace necesaria la

construcción de numerosos túneles hidráulicos. Hasta marzo del 2010 se habían

excavado la mayoría de los túneles proyectados, con una sección ovoidal11 de

paredes rectas de 6.0 m x 6.0 m, generalmente.

10 Cabe destacar además que no existe una documentación que refiera la cantidad y las características de lostúneles en Cuba, ya asean hidráulicos o de transporte.11 Ver Anexo 2 (figura 1 y2).



16

También se encuentra aún en proyecto el Trasvase Norte – Sur, en el Valle de

Guantánamo, con la finalidad de conducir, en una primera etapa, 10 m³/s de agua

desde la presa Yateras, a través de un túnel de 680.69 m de largo, una conductora

de 2,00 metros de diámetro y un canal de 420.61 m. En una segunda etapa, con la

incorporación del conjunto hidráulico de la Derivadora Toa y un túnel de 17 km de

largo, por este tramo se podrán conducir hasta 15 m³/s de agua; de manera que

para el diseño de este tramo, se considera la capacidad máxima de conducción.

Por otra parte, en el trasvase de Sabanalamar - Pozo Azul, ya terminado y en

funcionamiento, ubicado en el Valle de Caujerí, está compuesto por 1,070 km de

túneles de sección ovoidal de 4.8 m x 4.8m, revestidos con hormigón lanzado

reforzado con fibra y bulonado, en los que se trabajó bajo el Método Noruego de

Construcción de Túneles (MNT)- utilizado generalmente en Cuba- que será

brevemente explicado posteriormente.

En Cuba con las inversiones de los trasvases se han introducido nuevas

tecnologías de diseño y construcción, la estrategia de desarrollo de estos se

extiende hasta el 2030 aproximadamente, lo cual implica la importación de

equipamiento que permita mejorar las investigaciones y diseños de obras de los

mismos.

Fig. 1.2 Esquema del Trasvase Este-Oeste



17

Figura. 1.3 Túnel de sección ovoidal. Intercepto de Serones. Empate de fundiciones paraterminar el Intercepto.

1.2. Utilización de los túneles. Funciones, desarrollo y perspectivas

La construcción de un túnel, desde tiempos antiguos ha estado dada por la

necesidad de superar un obstáculo natural, como se expuso anteriormente. Entre

las principales funciones de estas construcciones, dejando a un lado los túneles

de minas y los hechos por los zapadores militares, abarcan:

Transporte de personas y mercancías

En carreteras

En líneas de ferrocarriles

En transportes urbanos (Metros)

En pasos peatonales y para ciclistas.

Para transporte de agua

En canales

En abastecimientos urbanos



18

Para el riego

En centrales hidroeléctricas

Para el agua de enfriamiento en centrales térmicas y nucleares

Servicios por Cables y Tuberías.

Se podría decir que esta es la función más antigua: la de transporte. Podríamos

resumir diciendo que en un principio fueron las conducciones de agua las que

necesitaron de los túneles, debido a los requerimientos de pendiente máxima o

nula; más adelante el desarrollo del ferrocarril y posteriormente el surgimiento de

los vehículos y automóviles, hicieron aún más necesaria la construcción de

túneles, para evitar fuertes pendientes, acortar distancias y ganar seguridad en el

traslado.

Almacenamiento y Plantas.

Estacionamiento para carros.

Almacenamiento del petróleo en depósitos subterráneos.

Estaciones Subterráneas de Energía.

Instalaciones para usos militares.

Eliminación de los residuos radioactivos.

El almacenamiento de determinadas sustancias y materias se soluciona en

ocasiones con la construcción de estos emplazamientos, que garantizan las

necesarias condiciones de seguridad en algunos casos, en otros evitan el fuerte

impacto ambiental que ocasionarían unos grandes depósitos en la superficie como

es el caso del almacenamiento del petróleo, residuos radioactivos, materiales para

usos militares y embalses subterráneos.



19

Protección de las Personas.

Refugios.

Puestos de Control.

Existen otros criterios sobre los usos de estas estructuras, algunos autores

establecen otras funcionalidades entre las que pudiéramos enumerar:

1. Trasvases

2. Unión de islas o estrechos

3. Pasos fluviales (en cuyo caso el trazado se efectúa bajo una lámina de

agua)

1.3. Estado del arte del diseño y construcción de túneles.

El diseño de los túneles siempre se basó en métodos empíricos a nivel mundial,

generalmente se edificaban según la experiencia de los constructores, solo con el

desarrollo de la informática y las tecnologías en las investigaciones geológicas se

han comenzado a realizar formulaciones y métodos numéricos para el análisis del

comportamiento del terreno. Esto ha conllevado a que existan varios softwares (en

Cuba se utiliza el GeoStudio parcialmente como uno de los más avanzados) para

realizar este tipo de análisis, aunque no existe una metodología definida para el

diseño de túneles; generalmente se diseñan por métodos basados en las

tecnologías que se poseen en el país donde se edificará.

Como estructura, los túneles están formados por: la bóveda, los hastiales y la

solera. Todos estos pueden ser construidos en una única etapa, con todo el

espesor de hormigón y armaduras definitivas, o en dos etapas. En este último

caso la primera etapa se ejecuta cerca del frente y tiene como función principal el

sostenimiento del suelo en el corto plazo. La segunda etapa, de terminación, se

ejecuta dentro de un túnel limpio y seco, y por lo tanto tiene mejor calidad. Con



20

frecuencia se exige que el análisis estructural del túnel se efectúe tomando en

cuenta únicamente el revestimiento de la segunda etapa.12

En la ingeniería civil, la construcción de los túneles se divide en dos partes:

Túneles en roca.

Túneles en terreno blando.

El objetivo que se persigue con la perforación de túneles en roca es penetrar el

macizo rocoso mediante la fracturación, excavación y extracción de la roca. En

estos terrenos la principal preocupación reside en la excavación y en la calidad de

la roca.

En el caso de la construcción de túneles en terrenos blandos, la excavación es a

menudo más sencilla que si se trata de perforar una roca dura, siendo en este

caso la principal dificultad, la de evitar que el terreno se desmorone en el interior

del túnel. Resulta esencial la instalación de un revestimiento durable y resistente

tan pronto como se haya efectuado la excavación.

Hasta mediados del siglo XIX las minas y los túneles eran construidos con una

metodología bastante similar, que se remontaba a la Edad Media, pero después

de estas fechas se registraron notables avances. En esta etapa el sistema de

perforación de túneles en roca se establece como una industria moderna, cuestión

que se consolida con la construcción del túnel de Hoosac, en Estados Unidos.

Los túneles se construyen excavando en el terreno, manualmente o con

máquinas. Los sistemas habituales de excavación subterránea son:

Los medios mecánicos: mediante minador puntual (rozadora), minador a

sección completa o TBM (Tunnel Boring Machine) o con maquinaria

convencional (martillo picador y excavadora)

12 Ver Anexo 2 (figura 1 y 2) y 4.



21

Perforación y voladura: mediante explosivos -utilizado en Cuba-.

Manual: método derivado de la minería clásica del carbón de las cuencas

asturianas, en el que los operarios pican con martillo neumático la sección a

excavar y otra partida de obreros desescombran manual o semi-

manualmente.

Actualmente existen numerosos métodos para la construcción de túneles. Cada

tipo de construcción implica condicionales diferentes para el diseño. Entre ellos

sobresalen en la actualidad:

Cut-and-cover

Tuneladora

Nuevo Método Austríaco

Empuje de tubos o Hinca de Tubería

Tecnología sin zanja

Método Noruego de Tunelado

A continuación explicaremos en qué consisten algunos de los métodos de

construcción y las consideraciones para el diseño.

Método de Cut-and-cover

El método Cut and cover, que significa "Cortar y cubrir" en español, es un

procedimiento de construcción para túneles superficiales donde se excava desde

la superficie la totalidad o parte del hueco que ocupa el túnel, se construye el túnel

dentro del hueco a cielo abierto y se cubre una vez terminado. Requiere un

sistema de sostenimiento fuerte para soportar las cargas del material que cubre el

túnel. Existen dos formas de realizar el Cut-and-cover:



22

a) Método 'Bottom-up'

Se excava a cielo abierto la totalidad del hueco ocupado por el túnel y se

construye en el interior. El túnel puede ser de hormigón in situ, hormigón

pretensado, arcos pretensados, arcos con acero corrugado y también con ladrillo,

que se solía usar al principio.

b) Método 'Top-down'

Este método se encuentra en auge para la construcción de túneles en el interior

de las ciudades. Requiere poca maquinaria especializada, apenas más de la

utilizada en la construcción convencional de sótanos. En la superficie, desde la

calle, se ejecutan las paredes del túnel cavando una zanja que se hormigona para

formar muros-pantalla o una hilera de pilotes. Cuando las paredes están

terminadas se ejecuta la losa superior, que se apoya en las paredes, excavando

sólo el hueco que ocupa la losa y apoyándola durante su construcción contra el

terreno.

Cuando la losa y las paredes están terminadas, puede reconstruirse la superficie

mientras continúan los trabajos en el interior del túnel. La tierra del interior del

túnel no se extrae hasta esta fase, en la que como los elementos portantes del

túnel están ya construidos se puede excavar con retroexcavadoras. Cuando se ha

excavado hasta el nivel adecuado se ejecuta la contrabóveda, losa generalmente

de hormigón que hace de suelo del túnel. Se pueden crear losas intermedias para

realizar túneles de varias plantas.

En estos casos - 'Bottom-up' y 'Top-down'- el diseño del túnel es completamente

estructural, no hay diseño geotécnico, se diseña la sección transversal en función

del uso que tendrá el túnel, los elementos de la sección transversal se diseñaran

para soportar las cargas de la fase constructiva y las definitivas. Este método, en

sus dos variantes, es muy usado en túneles con poca profundidad. Cuando la

altura de terreno sobre el túnel es grande, no son recomendables.



23

Nuevo Método Austríaco

El nuevo método austríaco fue desarrollado en los años 1960. La excavación se

realiza en dos fases, primero se realiza la excavación superior y después se retira

el terreno que quede debajo hasta la cota del túnel. El método se basa en usar la

tensión geológica del macizo rocoso circundante para que el túnel se estabilice a

sí mismo mediante el efecto arco. Para conseguirlo se basa en medidas

geotécnicas para trazar una sección óptima. La excavación es inmediatamente

protegida con una delgada capa de hormigón proyectado, lo que crea un anillo de

descarga natural que minimiza la deformación de la roca.

Debido al control exhaustivo el método es muy flexible, incluso en condiciones

geomecánicas desconocidas de consistencia de la roca, durante el trabajo de

tunelación. Las mediciones de las propiedades de la roca informan de las

herramientas apropiadas.

En las últimas décadas las excavaciones mayores de 10 km en suelo blando se

han convertido en usuales. Uno de los casos más conocidos, corresponden a la

construcción de la línea 4 y la extensión de las líneas 1, 2 y 5 del metro de

Santiago de Chile.

En el caso de este método se basa prácticamente en el diseño según el avance, la

sección transversal del túnel se diseña para su funcionamiento en dos etapas, la

primera etapa como arco y una segunda etapa como sección completa, posee la

limitante que todas las secciones a construir deben tener la bóveda como un arco.

Además requiere de tecnología especializada para el control sistemático de la

construcción y reevaluación de los diseños a pie de obra.

Empuje de tubos

En inglés llamado Pipe jacking, consiste en empujar el tubo mediante gatos

hidráulicos hacia el terreno. Se usa cuando existen estructuras por encima que no



24

se quieren dañar como vías de tren o carreteras. Generalmente el terreno donde

se va a construir no es roca.

En este caso se diseña la tubería, primeramente se define el material según las

especificaciones del fluido a transportar y luego se define el espesor de las

paredes para soportar las cargas permanentes y las constructivas.

Método Noruego de Tunelado

Este en un método muy novedoso que se basa inicialmente en el diseño desde el

punto de vista geológico vinculado con la forma de construcción.

Consiste en la combinación de una clasificación geomecánica que permite

diseñar un sostenimiento, primero, conformado por anclas en roca, bulones y

hormigón proyectado reforzado con fibras.

Basado en la clasificación de la roca donde se encuentra ubicado el túnel, se

define los espesores de sostenimientos y los espaciamientos de los bulones.

Cuando lo requiere se refuerza con barras de acero corrugado agrupadas de

forma plana. Para rocas muy malas se utiliza el revestimiento de hormigón

fundido. En este método se prevé convertir el sostenimiento en revestimiento

reforzándolo convenientemente con los mismos medios usados para el

sostenimiento siempre que sea posible. Este método es el utilizado actualmente

para el diseño de los túneles de los trasvases.



25

Figura. 1.2 Sostenimiento con hormigón proyectado y bulones

1.4 Sostenimiento y revestimiento: diferencias y utilidades.

La bibliografía consultada refiere a los términos sostenimiento y revestimientocomo dos conceptos relacionados en la construcción de túneles pero no iguales

en su definición. También muchos métodos de diseño calculan o proyectan el

sostenimiento para asumir las funciones estructurales y solo contemplan el

revestimiento como elemento de estética o terminación. En la mayoría de los

casos se recomienda que su diseño sea analizado y se tomen por separado,

unidos solo en función de razones económicas y constructivas. Es importante

realizar las diferenciaciones entre estos elementos debido a que muchos

ingenieros y profesionales del campo lo consideran como iguales.

Se denomina soporte o sostenimiento a los elementos estructurales de sujeción

del terreno, aplicados inmediatamente después de la excavación de un túnel, con

el fin de asegurar su estabilidad durante la construcción y después de ella, así

como garantizar las condiciones de seguridad.

La función del sostenimiento está íntimamente ligada al reajuste tensional que se

produce en el terreno como consecuencia de la realización de la excavación.

Revestimiento deHormigónProyectado

Bulones



26

La necesidad de soporte está condicionada por la capacidad del terreno de

alcanzar una situación de equilibrio tras la excavación. El mismo puede ser total,

como arco resistente, o parcial para sostenimiento de cuñas o bloques

potencialmente inestables. En general el soporte es un elemento drenante, a

través de la masa o como consecuencia de la fisuración por entrada en carga.

El revestimiento, por su parte, se coloca con posterioridad al sostenimiento y

consiste en aplicar sobre este último una capa de hormigón u otros elementos

estructurales, con el fin de proporcionar resistencia a largo plazo al túnel y dar un

acabado regular, mejorando su funcionalidad (condiciones aerodinámicas,

impermeabilidad, luminosidad, albergar instalaciones y propiciar la estética de la

obra). En muchos países está establecido como un criterio no tener en cuenta la

contribución del sostenimiento al soporte de las cargas para el cálculo del

revestimiento definitivo.

Este elemento constituye la capa más interna y por tanto está expuesta al espacio

libre interior del túnel. Podrá tener función estructural o no dependiendo de las

condiciones asumidas en el diseño. Aunque puede o no aplicarse el revestimiento,

este generalmente es necesario en la mayor parte de los túneles. Se colocan con

dos fines: estructuralmente, para contener y soportar el terreno expuesto y

operacionalmente, para proporcionar una superficie interna que sea adecuada a

las funciones del túnel.

Podemos encontrar revestimientos permanentes, cuando han sido especificados e

incorporados en los cálculos de diseño, y temporales cuando los proporciona el

contratista según sean necesarios para la seguridad de la construcción.

Atendiendo a su extensión, el revestimiento puede ser completo (contrabóveda,

hastiales y bóveda), o parcial, de no tener función estructural (paneles). En caso

de necesidad, por acciones externas, el mismo debe ser continuo y estanco.

Puede además requerirse por razones de seguridad: ventilación, resistencia al

fuego, a impactos, por confort, iluminación, entre otras.



27

Los requisitos principales que deben cumplir los revestimientos estructurales

permanentes son:

1. Proporcionar el apoyo estructural necesario.

2. Controlar o eliminar la entrada o escape del agua.

3. Ajustar la sección transversal de operación.

Soporte: Revestimiento:

Conjunto de elementos instalados en

la excavación con función de soporte

estructural (temporal).

Elementos típicos:

- Hormigón proyectado

- Bulones, cerchas, mallazos

Capa interna, contigua al

sostenimiento, con función estructural

o no, con carácter de acabado

definitivo.

Elementos típicos:

- Hormigón proyectado

- Hormigón encofrado, armado o en

masa

Tabla 1.1 Principales diferencias entre Sostenimiento y Revestimiento

El diseño del sostenimiento está definido generalmente por métodos geofísicos o

geológicos. El diseño del revestimiento es completamente estructural.

1.4.1 Sostenimientos y revestimientos de túneles utilizados en Cuba

En Cuba se han construidos varios túneles, los cuales se han sostenido de forma

tradicional con hormigón armado fundido In Situ y Prefabricado. Siempre basados

en procedimientos geológicos, en los cuales se consideran solamente las acciones

de las rocas13 en su estado natural.

13 Para la realización de la presente investigación resultará necesario tener en cuenta también el impacto delos sismos, ya que numerosos estudios han demostrado que la ocurrencia de los mismos actúanegativamente sobre las estructuras enterradas. Por demás, en la zona oriental, enclave del Trasvase Este-Oeste se evidencian movimientos telúricos considerables.



28

El sostenimiento que se utiliza en los trasvases es el especificado en el Método

Noruego de Tunelado, el cual es una de las últimas tecnologías introducidas en

Cuba en este sentido, la misma se basa en la clasificación geomecánica de las

rocas por el método de Q de Barton.

Es muy común en muchos túneles que atraviesan macizos de rocas muy buenas

que los diseñadores tomen el sostenimiento como revestimiento definitivo, debido

a la baja necesidad de revestimiento en este tipo de roca. En el caso de los

túneles que no cuentan con rocas de esta calidad si se encuentran diferenciados y

generalmente se utilizan como revestimiento, elementos prefabricados de

hormigón armado y en el caso particular de los túneles hidráulicos se utiliza

hormigón armado fundido In Situ.

1.5 Particularidades y funciones del revestimiento estructural en túneles.

Para la Ingeniería Civil, el revestimiento es el elemento constructivo que recubre la

estructura portante o los cerramentos de una edificación. En túneles, es la parte

estructural del sostenimiento de éstos, encargada de soportar las tensiones y

mantener la integralidad geométrica y estructural.

Los revestimientos pueden cumplir funciones muy diversas, aunque las principales

son las de aislamiento (térmico y acústico) y la ornamental. En este ámbito se

incluyen una gran variedad de soluciones, que pueden adoptarse por su nobleza

decorativa, economía, facilidad de montaje, resistencia o funcionalidad.

Cuando el revestimiento no resulte directamente de exigencias estructurales sus

funciones serán, entre otras, facilitar la ventilación natural, garantizar la

regularidad geométrica de la sección, evitar la degradación de la roca expuesta;

mejorar la impermeabilización; en estos casos su espesor será el mínimo

compatible con exigencias tecnológicas y en el caso de los túneles es muy común

asumir el sostenimiento como revestimiento definitivo.



29

Estos se encuentran divididos en dos grandes grupos, de acuerdo a su carácter

constructivo: continuos y discontinuos.

Los primeros se extienden en grandes planos sobre la superficie a recubrir, como

las pinturas o los revocos, y los segundos se disponen en pequeñas piezas

modulares hasta completar la extensión deseada, como en los alicatados y los

chapados.

Existe un revestimiento definitivo que debe garantizar el adecuado factor de

seguridad o la confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que

se estime le sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto.

El criterio de diseño siempre consistirá en elegir el revestimiento que mejor se

adecúe a las exigencias solicitadas en el proyecto.

Para aproximarse al enorme abanico de revestimientos existentes, basta con

enumerar algunos de los más usuales como alicatados, chapados de piedra,

enfoscados de mortero, papeles pintados, láminas de corcho o plástico,

guarnecidos y enlucidos de pasta de yeso, estucados, tablas de madera, chapas

metálicas, placas estratificadas, pinturas de distintas composiciones, revocos de

mortero, telas adheridas, pavimentos empedrados, terrazos, hormigón continuo,

asfaltados, moquetas, losetas de linóleo, PVC, goma u otros plásticos, baldosas

de barro cocido o gres, entarimados, parqués, adoquinados de piedra, baldosas

hidráulicas, techos de escayola y tela metálica, placas acústicas de escayola,

conglomerados o metal y artesonados, entre otros muchos.

Otros tipos de revestimientos de túneles que podemos encontrar:

Revestimientos sin armar:

Cuando los cálculos estructurales muestran que el revestimiento está sometido a

compresiones y/o a tracciones que no excedan la capacidad del hormigón, el

revestimiento puede dejarse sin armar, siempre que no se necesite una alta

impermeabilidad.



30

Revestimiento armado:

En Cuba generalmente solo se diseña el revestimiento en túneles cuando los

sostenimientos especificados no son capaces de cumplir las exigencias de

proyecto o aparecen condiciones no previstas en el método empírico utilizado,

estos diseños no siguen una metodología determinada.

1.6 Diseño del revestimiento estructural de túneles

Es necesario hacer mención en el presente epígrafe de la poca información y

bibliografía existente específicamente sobre el diseño del revestimiento de túneles,

sean los mismos hidráulicos o no. En las pesquisas realizadas y la posterior

revisión documental, se encontraron escasos estudios relativos al diseño del

revestimiento, carentes en la mayoría de los casos de referentes teóricos

sistemáticos sobre el tema, por consiguiente, lo que exponemos en este epígrafe

constituye además una aportación del presente trabajo de diploma al campo

teórico, investigativo y práctico de la ingeniería civil en esta esfera.

En la mayoría de los países del mundo en los que se practica el revestimiento de

túneles como parte de la construcción de los mismos o como una acción de

conservación posterior, no existe una metodología que sistemáticamente regule el

diseño del revestimiento estructural de un túnel. Alrededor del orbe se trabaja con

métodos numéricos soportados en software de análisis.

En casi todos los países son los ingenieros civiles o los geólogos, que posterior a

un estudio de suelos –en el que actualmente se incluyen datos referentes a los

sismos y a cómo se relacionan los mismos con estas estructuras soterradas-

proponen el diseño más eficiente a seguir. Los datos obtenidos en estas

pesquisas que anteceden a la construcción de los túneles, se introducen en

diferentes softwares de modelación que automáticamente brindan los estados

tensionales y de deformación en dependencia del modelo de comportamiento del

suelo fijado, teniendo en cuenta todas las variables que se le proporcionan según



31

los criterios del proyectista. Para la utilización de estos métodos se utilizan

también los métodos empíricos como base para el diseño inicial.

Gianfranco Perri - Profesor de Diseño de Túneles en la Universidad Central de

Venezuela- expone que el soporte y revestimiento de los túneles deben ser

diseñados de manera tal que posean un comportamiento eficiente, sean

constructivamente factibles y económicamente rentables, para lo cual en principio

estarán caracterizados por una forma geométrica compatible con eventuales

exigencias de uso.

El revestimiento definitivo, debe garantizar el adecuado factor de seguridad o la

confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que se estime, le

sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto.

A pesar de las diferencias ya explicitadas entre el sostenimiento y el revestimiento,

actualmente en la construcción, cada vez más, prolifera el empleo de un

revestimiento único que desempeña ambas funciones, al quedar instalado

definitivamente durante la etapa de excavación.

En su tesis de grado, el ingeniero mexicano Pablo Gutiérrez (2014) expone que

independientemente de la opción de revestimiento a diseñar y aplicar, las mismas

deben tener en cuenta la magnitud y distribución de la presión que ejerce el suelo

sobre la estructura de soporte.

Este requerimiento parte de la complejidad del fenómeno de interacción suelo-

revestimiento, cuya solución aproximada puede obtenerse con modelos numéricos

de análisis que simulan la evolución del estado inicial de esfuerzos en el suelo

durante la excavación y la colocación del revestimiento; evolución que depende

tanto de las propiedades esfuerzo-deformación de la masa de suelo como del

material del revestimiento y del proceso constructivo que se siga para su

colocación.



32

Los factores a tener en cuenta para la distribución de presiones14 alrededor del

revestimiento son en esencia los siguientes:

Estado inicial de esfuerzos en la masa de suelo.

Resistencia al corte y deformabilidad del suelo.

Procedimiento de excavación y de colocación del revestimiento primario.

Tipo y rigidez del revestimiento primario, y del secundario en su caso.

Evolución de los esfuerzos en el suelo después de concluida la

construcción.

En Cuba se diseña el revestimiento estructural de túneles sobre la base del

empirismo, aunque se utilizan fórmulas para calcular las tensiones en el túnel a

revestir, no se sigue un procedimiento homogéneo para la construcción de este

elemento tan importante dentro de la estructura subterránea.

Conclusiones

A estas alturas nos encontramos en condiciones de enunciar que para los efectos

de esta investigación los túneles son estructuras subterráneas de carácter lineal,

cuyo objeto es la comunicación de dos puntos, para realizar el transporte de

personas, materiales entre otras cosas. Son edificaciones muy antiguas que han

visto numerosas evoluciones en cuanto a su diseño y tecnología a lo largo de la

civilización. Entre sus principales usos se encuentran el de transporte (de

materiales o seres vivos) y el almacenamiento; aunque existen numerosos

métodos de perforación, sostenimiento y revestimiento el más utilizado en Cuba

actualmente es el Método Noruego de Tunelado.

14 La presión radial ejercida por el suelo es el resultado de un proceso de interacción entre este y la estructurade soporte, lo cual implica que los desplazamientos radiales en la frontera de ambos medios deben sercompatibles; por ello, es necesario conocer cómo se desarrollan los desplazamientos durante el proceso deconstrucción, para comprender la influencia de cada factor en el comportamiento del sistema suelo-revestimiento. (Gutiérrez, 2014)



33

No existe historia definida de los métodos de diseño de túneles. Se trata el diseño

como un complemento de los avances tecnológicos en las investigaciones

ingeniero-geológicas. En el caso del diseño del revestimiento el panorama es

bastante similar al descrito anteriormente.

Es vital mencionar que existe muy poca bibliografía sobre los túneles existentes en

Cuba, que detallen los métodos usados en su diseño, excavación, sostenimiento y

revestimiento.

Se evidenció además que en las investigaciones existentes, los túneles en Cuba,

al menos los consultados durante nuestras pesquisas, no se diseñan

sísmicamente, lo que ocasiona incertidumbre al tener que enfrentar las

afectaciones que se producen en estas edificaciones a partir de los sismos.

Después de haber revisado todos estos contenidos, nos encontramos en

condiciones de plasmar y analizar los resultados obtenidos de la aplicación de los

métodos y técnicas establecidos en la introducción, de este informe, para

confeccionar la metodología para el diseño del revestimiento de túneles. Lo

anterior será realizado en el Capítulo II del presente informe.

Capítulo II PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

34

En el Capítulo precedente de este informe, realizamos una breve visita a la historia

y evolución de los túneles, sus usos y métodos constructivos. También se abordó

sobre el desarrollo del diseño y su vinculación con las formas de construcción a

utilizar. Se establecieron las principales características del revestimiento como

elemento estructural en este tipo de edificaciones.

Con esta antesala, es momento entonces de entrar en la confección de la

propuesta de la metodología de diseño para el revestimiento estructural de túneles

en rocas malas o muy malas.

Para ello será necesario sistematizar los conocimientos existentes sobre el

revestimiento de túneles en lo referente al diseño geotécnico, las formas

geométricas de los túneles y los estados de cargas en los mismos, así como lo

regulado por las Normas Cubanas, relacionado con los materiales de la

construcción. Para posteriormente, pautar en un procedimiento uniforme el

revestimiento de estas edificaciones de acuerdo a la tecnología existente en el

país, que tenga en cuenta todos los elementos especificados a lo largo del

Capítulo II, propiciando así que lo anterior se desarrolle, en toda ocasión, de

acuerdo a los parámetros correctos.

2.1- Diseño geotécnico de túneles

El estudio geotécnico en la construcción de los túneles persigue prever el

comportamiento mecánico del macizo rocoso cuando se le sometan

modificaciones al estado tensional de equilibrio, como consecuencia de la

construcción. Las características intrínsecas de las rocas matrices, su disposición

estructural natural, el estado de fracturación y la presencia de agua así como de

posibles discontinuidades o accidentes geológicos singulares son algunos de los

factores que responden por ello.

En cada proyecto se necesita una definición geotécnica que debe abarcar cuatro

aspectos indispensables:


35

Características intrínsecas del material básico.

Evaluación de las discontinuidades.

Respuesta esperable de la roca matriz.

Respuesta final esperable del macizo.

En Cuba, para el análisis geotécnico del túnel, se utilizan diferentes criterios

semiempíricos que se reportan en la literatura técnica especializada, con el

propósito de determinar valores que deberán ser aplicados al sistema de soporte

de los túneles.

Usualmente se usa el índice Q o la clasificación RMI de resistencias estimadas de

roca (R0 a R6)15.

Para el diseño de túneles, después de un estudio geotécnico minucioso, se hace

necesario el uso de métodos como:

Clasificación de Barton.

La clasificación cuantitativa basada en el índice Q, desarrollada por Barton y otros

en 1974, a partir de un conjunto de datos procedente de distintos casos reales. La

misma establece una clasificación que se obtiene a partir de la siguiente

expresión, la cual considera 6 parámetros procedentes de la observación del

macizo rocoso:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ

Estos parámetros son:

:RQD Índice de fracturación.

15 Ver Anexo 1


36

:Jn Índice de diaclasado- Considera la cuantía de la fracturación.

:Jr Índice de rugosidad- Contempla la rugosidad, presencia de relleno y

continuidad de las juntas.

:Ja Índice de alteración- Contempla el grado de alteración de las juntas.

:Jw Coeficiente reductor por la presencia de agua.

:SRF Stress Reduction Factor- Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del

estado tensional en el macizo.

Las relaciones formadas con estos parámetros en la ecuación representan:

Jn

RQD : el tamaño de los boques.

JwJa

Jr : resistencia al corte entre los bloques

La clasificación de Barton ha sido muy bien contrastada con la calidad de las rocas

existentes y los sostenimientos aplicados en diferentes casos reales. Por ello este

procedimiento junto con el propuesto por Bieniawski ha alcanzado una gran

popularidad, a tal punto que hoy constituye un referente esencial en el diseño de

obras subterráneas.

Para determinar el diámetro equivalente del túnel ( DE ) utilizamos la siguiente

relación:

ESRalturaontosostenimiesinVanoDE


37

El parámetro ESR16 de la relación anterior modifica el valor real del ancho de la

excavación, introduciendo un factor de seguridad.

A continuación se reflejan los criterios de valoración de estos parámetros. El rango

de variación del índice o está entre 0.001 y 1.000. Este intervalo se ha dividido en

9, que han dado lugar a la siguiente clasificación cualitativa.

Entre 0.001 y 0.01 : roca excepcionalmente mala

Entre 0.01 y 0.1 : roca extremadamente mala

Entre 0.1 y 1 : roca muy mala

Entre 1 y 4 : roca mala

Entre 4 y 10 : roca media

Entre 10 y 40 : roca buena

Entre 40 y 100 : roca muy buena

Entre 100 y 400 : roca extremadamente buena

Entre 400 y 1000 : roca excepcionalmente buena

La clasificación de Barton que se acaba de describir, es la más completa y

sofisticada de las existentes actualmente. No están suficientemente contrastadas,

con casos reales de excavación de túneles, -posteriormente a su publicación- las

predicciones que se hacen de la presión sobre el sostenimiento y el

dimensionamiento de éste.

Ver Anexo 7.


38

Clasificación de Bieniawski de 1979 (RMR).

El índice de calidad del macizo rocoso conocido como RMR (Rock Mase Rating)

desarrollado por Bieniawski en 1979, se determina a partir de la suma de 5

parámetros que permiten clasificar la roca en cinco categorías diferentes para las

que se indican: tiempo en que puede mantener una determinada longitud de

excavación sin entibar, cohesión y ángulo de rozamiento interno, orientativos del

macizo para cada categoría.

Los parámetros para la obtención del RMR son:

a. Resistencia de la roca matriz.

b. Separación entre diaclasas.

c. Estado de las diaclasas.

d. Presencia de agua.

e. Disposición de las juntas con respecto a la excavación.

Y la expresión que lo define:

RMR= a + b + c + d + e

Las categorías de roca en función del valor del RMR, son las siguientes:

I Roca muy buena : RMR entre 81 y 100

II Roca buena : RMR entre 61 y 80

III Roca media : RMR entre 41 y 60

IV Roca mala : RMR entre 21 y 40

V Roca muy mala : RMR menor que 20


39

Clasificación de Palmstrom (RMI).

El RMI es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada, la

resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Su determinación depende

del estado de las rocas.

Para rocas diaclasadas. Para las masivas.

JPxRMI c fxRMI

donde:

:c es la resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta.

:JP es el parámetro que determina el diaclasado e incorpora los principales

rasgos del macizo rocoso. Sus valores se pueden encontrar en tablas o

determinarse por la ecuación:

DVbxJCJP 2.0 para 2.037.0 JCD

El factor de estado o condición de las diaclasas ( JC ), relaciona el de tamaño y

continuidad de las diaclasas jL , con la rugosidad jR y el grado de alteración

de las juntas jA ; a través de la expresión:

jA

jRjLJC

Para el caso de las rocas masivas, el parámetro f representa la masividad de la

roca. El mismo se estima por la ecuación:

2.005.0Dbf

la que representa un ajuste por el efecto de escala en la resistencia a la

compresión en una roca masiva.


40

De acuerdo con dicho parámetro: existen rocas masivas cuando mDb 2

aproximadamente, para el cual 5.0f . Cuando fJP (esto es cuando 5.0JP

aproximadamente) se utiliza la ecuación para rocas diaclasadas.

A partir de considerar diferentes valores del RMI Palmstrom (2000), establece la

siguiente clasificación:

RMI < 0.01. Muy bajo.

RMI = 0.01 – 0.1. Bajo

RMI = 0.1 – 1. Moderado

RMI = 1 – 10. Alto

RMI > 10. Muy alto

El sostenimiento calculado por estos métodos constituyen, a la vista de muchos

autores, una solución aproximada, muy útil para estimar los costos y como un

punto de partida para el desarrollo de una solución mejor. La precisión de los

mismos dependerá también en cierta medida de la experiencia del diseñador. Para

el caso de rocas buenas son bastante precisos, no tanto cuando el macizo

empieza a presentar valores de roca de regular a malos o muy malos.

Algunas de las deficiencias por las cuales no debe considerarse el sostenimiento

calculado por estos métodos como solución definitiva serían las siguientes:

- Generalmente no permiten cuantificar los coeficientes de seguridad de los

elementos del sostenimiento.

- No permiten tener en cuenta el efecto del estado tensional de la roca luego de

excavarse, análisis del efecto de intemperismo.

- No permiten considerar el efecto de la forma del túnel.


41

- No permiten considerar los efectos de la formas de excavación.

- No tienen en cuenta los efectos de sitio.

- No se analizan otras acciones tensionales que puedan actuar sobre el túnel.

Después de analizados los métodos para calcular y clasificar los macizos rocosos,

por su mayor nivel de profundidad y exactitud, su perdurabilidad en el tiempo y el

nivel de perfeccionamiento que los mismos han alcanzados, tendremos en cuenta

para la elaboración de la metodología los métodos de clasificación Q de Barton y

el de Bieniawski (RMR).

2.2- Materiales utilizados.

Para la construcción y revestimiento de los túneles se utilizan materiales17 cuyas

especificaciones se han sistematizado con arreglo a la experiencia acumulada a

través de los años y el consecuente perfeccionamiento de la tecnología.

Existen numerosos materiales de la construcción que se utilizan en la edificación

del revestimiento de los túneles, específicamente en el caso de la presente

investigación tomaremos en consideración los siguientes:

Hormigón armado

Hormigón con fibras

Bulones

Aditivos

En cada caso se revisará la bibliografía general y lo regulado por las Normas

Cubanas de la Construcción. En general los materiales de construcción a utilizar

17 Los materiales de construcción son materias prima o productos manufacturados, empleado en laconstrucción de edificios u obras de ingeniería civil.


42

dependerán en gran medida del método de construcción adoptado y la tecnología

disponible.

2.2.1-Hormigón armado

El Hormigón armado18, por definición, es la combinación del hormigón simple con

acero de refuerzo, este tipo de hormigón se utiliza en la construcción de

elementos estructurales. Es un material heterogéneo, formado por hormigón y

armadura de acero.

La Norma Cubana 207 2003 establece que el Hormigón armado es:

“Hormigón reforzado con al menos la cantidad mínima requerida por esta

norma, pretensado o no, y diseñado dando por hecho que los dos materiales

(hormigón y refuerzo) actúan conjuntamente para resistir las solicitaciones.”

2.2.2-Hormigón con fibras.

Los hormigones reforzados con fibras son aquellos que, para mejorar alguna

propiedad, incluyen en su composición fibras cortas, discretas y distribuidas

aleatoriamente en la masa. Las fibras pueden ser de acero, poliméricas o de

vidrio.

El uso del Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) puede ser:

18 La invención del hormigón armado se atribuye al constructor William Wilkinson, quien solicitó en 1854 lapatente de un sistema que incluía armaduras de hierro para «la mejora de la construcción de viviendas,almacenes y otros edificios resistentes al fuego». En el 1855 Joseph-Louis Lambot publicó el libro «Les bétonsagglomerés appliqués á l'art de construire» (Aplicaciones del hormigón al arte de la construcción), en dondepatentó su sistema de construcción, el cual consistía en una lancha de remos fabricada de hormigón armadocon alambres. François Coignet en 1861 ideó la aplicación en estructuras como techos, paredes, bóvedas ytubos. A su vez el francés Joseph Monier patentó varios métodos en la década de 1860. Con el transcurso delos años y el desarrollo de la tecnología y las investigaciones, el hormigón armado como material deconstrucción se ha generalizado alrededor del mundo, constituyéndose en uno de los más importanteselementos en un proceso constructivo.


43

Estructural:Se tiene en cuenta en el cálculo de la estructura por lo que, la adición de fibras

puede implicar la sustitución total o parcial de armadura en algunas aplicaciones.

La tipificación del hormigón en el proyecto deberá considerar: dosificación de

fibras en kg/m³ y el tipo, dimensiones, forma y resistencia a tracción de la fibra.

No Estructural:El uso de las fibras tiene como fin mejorar la resistencia al fuego del hormigón o

controlar la fisuración.

Aplicación:

Sostenimiento de túneles y taludes.

Revestimiento definitivo de túneles y taludes.

Para la produccion de Prefabricado.

Pisos y pavimentos.

Se hace necesario aclarar que no existe una norma cubana específica para el

Hormigón Reforzado con Fibras, uso y especificaciones.

2.2.3-Bulones

Los bulones son elementos lineales de refuerzo que se colocan dentro de un

taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren a ésta por un procedimiento

mecánico o por medio de una sustancia adherente.

Además de ejercer un papel de suspensión de rocas sueltas, el bulonaje19 puede

ejercer cierto papel consolidando terrenos descomprimidos como se muestra en la

figura siguiente.

19 Es una técnica de sostenimiento que, en esencia, consiste en anclar en el interior de las rocas una barra dematerial resistente que aporta una resistencia a tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovecharlas características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento.


44

Leyenda1. Cabeza de un anclaje2. Barra3. Extremo roscado4. Placa de reparto5. Tuerca de apriete6. Zona de terreno resistente7. Terreno descomprimido a soportar.

Figura 2.1 Principio de acción de un bulón.

Se hace necesario aclarar que no existe una Norma Cubana definida que precise

el uso y las especificaciones de los bulones.

2.2.4-Aditivos

Son aditivos aquellas sustancias o productos que, incorporados al hormigón,

antes del amasado o durante el mismo (también en el transcurso de un amasado

suplementario) se agregan para producir una modificación deseada, en una

proporción no superior al 5% del peso del cemento. Estas sustancias modifican

alguna de las características y/o propiedades habituales del cemento o de su

comportamiento, en estado fresco o endurecido.

Los utilizados hoy en día se pueden clasificar como en:

-Acelerantes

-Plastificantes (fluidificantes reductores de agua)

-Superfluidificantes (para la producción de hormigón y mortero fluido como

reductor de agua)

- Superfluidificantes-Retardadores (para la producción de hormigón y mortero

fluido retardado)

- Impermeabilizantes (para hormigones y morteros impermeables)


45

- Estabilizadores (para estabilizar hormigones y morteros hasta 40 horas)

- Reductores de rechazo

- Reductores de polvo

La Norma Cubana 250: 2005 establece que:

”Para que los aditivos sean eficaces y no perjudiciales hay que emplearlos en

determinadas dosis. Sus dosificaciones deben ser hechas por técnicos

experimentados y ensayados previamente en el laboratorio para verificar sus

propiedades y conocer sus posibles efectos secundarios.”

2.3- Forma geométrica del túnel.

La forma geométrica del túnel o su sección transversal ha cambiado desde las

formas rectangulares de las primeras excavaciones manuales hasta las más

variadas. En general la forma geométrica del túnel depende en gran medida del

tipo de roca, de la función del túnel y de la tecnología a utilizar en su construcción.

Otro factor a considerar es la proximidad de otros túneles o excavaciones, las

intersecciones, fallas geológicas o cambios del tipo de roca.

En muchos de los materiales revisados sobre el tema que nos ocupa no se brinda

importancia a la forma geométrica y solo se indican que la escogida para la

construcción debe cumplir las condiciones de rigidez requeridas; para nuestro

caso es vital la forma debido a su comportamiento estructural. En la mayoría de

las bibliografías se refiere a la forma circular como la más idónea, en

publicaciones más recientes se recomienda la forma ovoidal20 como se explicó

anteriormente.

El cambio de forma se debe al resultado del estudio de Pashkin de más de 2000

derrumbes en túneles y obras subterráneas, donde encontró que la envolvente de

20 El ovoide es una curva cerrada plana conformada por cuatro arcos de circunferencia: uno de ellos es unasemicircunferencia y otros dos son iguales y simétricos. Posee dos ejes ortogonales, denominados mayor ymenor. Tiene cuatro centros de curvatura. A diferencia del óvalo, sólo tiene un eje de simetría


46

todos ellos es una parábola. Como el replanteo de la parábola resulta muy

incómodo, se adoptó la parte superior del ovoide con una figura muy próxima a

ella y de un replanteo mucho más simple. Esta figura, aunque de características

hidráulicas muy inferiores a la circular ha resultado mucho más estable y

económica.

2.4- Estados de cargas

Teniendo en cuenta la Norma Cubana 450 del 2006 de Combinaciones de carga,

se hará una determinación de sus términos y símbolos para su uso en el diseño

del revestimiento en túneles.

Carga permanente (G)

Considera el peso propio de la estructura del revestimiento y los empujes

de la tierra.

G1→Suelo saturado. Se considera el túnel por debajo del nivel freático.

G2→Suelo natural. Se considera el túnel por encima del nivel freático.

Carga sísmica (E)

Se consideran las ondas de compresión u ondas P y las ondas de

cortante u ondas S:

Las ondas de compresión producen movimientos paralelos a su dirección de

propagación mientras que las ondas de cortante generan movimientos

perpendiculares. En el caso de los túneles se consideran estas cargas actuando

en el sentido transversal.

Carga de fluido (F)

Se considera la presión ejercida por el fluido interno del túnel.


47

F1→Presión. Considera el túnel trabajando con la sección llena con una

presión hidrostática dada por la condiciones del túnel.

F2→Libre. Considera el túnel trabajando con la sección llena pero con

presión normal.

Dentro de las cargas permanentes se consideran las de empuje del suelo en

estado saturado y en estado natural además del peso propio de la estructura.

En el caso de la carga sísmica se considera el incremento del empuje activo del

suelo debido al efecto del sismo.

Para el caso de la carga debido al fluido se consideran tres posibilidades:

1- La sección del túnel trabajando a presión, o sea lleno y con presión

adicional por una columna de agua, esto es aplicable a los túneles que son

descargas directas de presas o reservas de agua donde el túnel se

encuentra a varios metros por debajo del nivel da agua

2- La sección del túnel trabajando a conducción libre

3- El túnel sin fluido.

Combinaciones básicas de cálculo

Las estructuras y componentes estructurales deben diseñarse para las

solicitaciones de cálculo o factorizadas obtenidas con las siguientes

combinaciones básicas:

1) 1,4 (G1 + F1) 7)1,2 (G1 + F 1)+1.4E

2) 1,4 (G1 + F2) 8) 1,2 (G1 + F 2)+1.4E

3) 1,4 (G1) 9)1,2 G1 +1.4E

4) 1,4 (G2 + F1) 10) 1,2 (G2 + F 1)+1.4E


48

5) 1,4 (G2 + F2) 11) 1,2 (G2 + F 2)+1.4E

6) 1,4 (G2 ) 12) 1,2 G2 +1.4E

2.5- Diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Todas las estructuras que se construyen bajo tierra deben diseñarse de manera

que resistan las cargas del terreno tanto en condiciones de trabajo normales como

las deformaciones inducidas por el sismo de diseño.

Aunque esta consideración es relativamente nueva en la comunidad ingenieril,

pues hasta hace muy poco tiempo se consideraba que las estructuras enterradas

no debían diseñarse para resistir esfuerzos sísmicos, es una tesis probada en la

actualidad que ha ido ganando fuerza dentro del diseño de túneles.

La falla de la estación del metro de Daikai, en Kobe, Japón, durante el terremoto

que asoló a esa región en 1995, fue el detonante para el cambio de paradigma21

en lo referente al diseño de túneles, apaleando a las modificaciones que puedan

inducir los eventos sísmicos.

Teniendo en cuenta que la presencia de una estructura modifica las

deformaciones del terreno en la que se encuentre, los cálculos de deformación

sísmica deben incluir la interacción suelo-estructura. Por lo anterior las estructuras

enterradas son vulnerables a las deformaciones sísmicas inducidas por los

terremotos y debe ser diseñadas con suficiente ductilidad para que puedan

absorber las deformaciones inducidas por el sismo sin sufrir daños considerables.

En términos generales, las deformaciones transversales son las más críticas

comparadas con las longitudinales.22

Se han realizado sobre esta temática diferentes estudios como los de:

21 Hasta hace relativamente poco, la percepción dentro de la comunidad de ingeniería era que las estructurasenterradas no necesitaban diseñarse para resistir esfuerzos sísmicos porque éstas se mueven con el terrenodebido a su menor masa comparada con la del terreno circundante, y por lo tanto no experimentan esfuerzossignificativos.22 Ver Anexo 8.


49

“Dowding y Rozen que en 1978 estudiaron la respuesta de 71 túnelessometidos a movimientos sísmicos (…) en 42 túneles. El número deobservaciones fue incrementado por Owen y Scholl (1981) con 56 nuevostúneles. La base de datos se amplió todavía más gracias a Sharma y Judd(1991), quienes recabaron información en 192 túneles con 85 tembloresocurridos en todo el mundo; en 94 casos (…).

La vulnerabilidad de las estructuras enterradas durante un evento sísmicotambién fue reportada por Asakura y Sato (1996), quienes recopilaron ungran número de casos de túneles de montaña en Japón; se observarondiferentes niveles de daño en 124 de los túneles (…) observacionesparecidas a las realizadas por Wang et al.(2001) quienes presentaron unaevaluación sistemática del daño en túneles de montaña durante el temblorChi-Chi de Taiwán; de los 57 túneles investigados, 49 resultaron dañados.”(Bobet (a), 2011: 20)

Los estudios anteriormente mencionados no son todos los existentes, son solo

una mínima muestra, lo mismo evidencia que los efectos que causan los sismos

en las estructuras enterradas muestra inequívocamente que estas estructuras son

susceptibles al daño durante terremotos23.

La información recopilada sobre el impacto de los sismos en las estructuras

soterradas se tuvo en cuenta en el diseño de la metodología, mediante el cálculo

del incremento dinámico de presión por el efecto sísmico.

2.6- Propuesta de metodología para el diseño del revestimiento de túneles

Ha llegado el momento de proponer una metodología para el diseño del

revestimiento de túneles, la misma es producto de la aplicación de las técnicas de

investigación esbozadas en el proyecto, que nos permitieron llegar a los

resultados hasta el momento expuestos en el presente Capítulo.

Como todo primer acercamiento concreto a una materia, la metodología que

proponemos está sujeta a comprobaciones, las que se efectuarán a través un

ejercicio demostrativo en el que se calcula el tipo de roca, en la que se proyectará

23 Ver Anexo 8.


50

el túnel, mediante el método de Clasificación de Barton. Lo anterior condiciona la

aplicación del Sistema Q del Método Noruego de Excavación de Túneles, el cual

proporciona una adecuada manera de seleccionar el sostenimiento óptimo a

emplear en los túneles, por lo que lo hemos escogido en este trabajo.

Proponemos una metodología compuesta por seis pasos fundamentales que no

deben obviarse en el diseño y construcción del revestimiento estructural de

túneles para rocas malas o muy malas:

Metodología propuesta para el diseño estructural del revestimiento detúneles24

1. Definición de la forma geométrica: Es necesario tener toda la información

ingeniero geológica, el trazado del túnel, la finalidad del mismo y conocer la

tecnología con la que se va a construir. Como ya se explicó anteriormente

la forma geométrica que mejor comportamiento ha presentado es la ovoidal,

por lo cual se recomienda utilizar esta; desde otro punto de vista es una

forma difícil de modelar.25

2. Cálculo del sostenimiento por métodos geotécnicos: Consiste en diseñar un

sostenimiento por un método empírico, recomendamos dos de los

anteriormente explicados: Q de Barton y Bieniawski. Es muy común que

este diseño sea ejecutado por un geólogo.

3. Definición de los materiales a utilizar para el revestimiento: Se definen en

función de las características, vida útil y formas de utilización del túnel,

cuáles serán los materiales idóneos para la construcción del revestimiento

estos deben tener en cuenta la tecnología con que cuenta el país o la

región donde se va a construir.

24 Ver Anexo 14.25 Teniendo en cuenta que el software que se utilizó para modelar fue el SAP 2000 (v 14) es necesario señalarque esta figura es difícil de modelar ya que la misma no viene especificada dentro de las plantillas delsoftware por lo que hay que modelarla por puntos.


51

4. Cálculo de los estados de carga: Se calculan todas las cargas que pueden

actuar en el sistema. En esta metodología incluimos las cargas sísmicas.

5. Modelación del revestimiento y cálculo de las tensiones: Se modela el

sistema y se calculan las tensiones actuantes en sus elementos

componentes.

6. Diseño estructural del revestimiento de la sección: Con las tensiones

obtenidas en el paso anterior se diseña el revestimiento en función de la

forma y los materiales definidos según la normativa vigente. En este punto

es importante tener en cuenta la forma constructiva, la tecnología y la

propuesta por parte del diseñador de la secuencias de los trabajos.

2.7- Ejercicio demostrativo.

Diseñar el túnel 1 del Tramo Intermedio del Trasvase Norte-Sur de Guantánamo.

El mismo atravesará el macizo que separa las cuencas de los ríos Yateras y Caña.

Se tienen los resultados de las investigaciones ingeniero geológicas, el trazado y

las condiciones de entrada y salida26.

El túnel debe conducir hasta 15 m³/s de agua, la entrada del túnel se encuentra en

la cota 120.46 y la salida en la cota 120.16; su función es entregar el agua desde

la presa Yateras hacia la Conductora del Tramo Intermedio. Trabajará como un

conducto a presión, debido a que el nivel de aguas normales de la Presa está en

la cota 139.00 y el nivel de aguas máximo está en la cota 141.00. La tecnología a

utilizar será la empleada en los trasvases, excavación con perforación y voladura,

sostenimiento inicial con hormigón lanzado y bulones, y cuando se requiera

reforzar con hormigón estructural.

1- Definición de la forma geométrica.

Para lograr su función sería suficiente una sección circular 2.90 metros de

diámetro o una sección ovoidal de 2.70 m; debido al equipamiento de construcción

26 Ver en Anexo 2 (figura 1 y 2)


52

la sección mínima para la ejecución será de 4.50 metros. Por lo tanto tendremos

un túnel con sección ovoidal de 4.50 x 4.50 metros interior como se muestra en el

Anexo 4. Luego para los cálculos por los métodos empíricos se utiliza la sección

de excavación, la cual sería tomando una sección transversal de alrededor de 5 a

6 % mayor que la obtenida en la sección asumida según el Anexo 4, debido a la

sobre excavación por el tipo de método constructivo a utilizar.

2- Diseño del sostenimiento por un método empírico

Para evaluar la estabilidad del macizo rocoso emplearemos las clasificaciones

geomecánica de Barton:

Partimos de la caracterización del informe ingeniero geológico de la roca. El túnel

se encuentra en su totalidad en la capa 4. La cual posee las siguientes

características:

Capa 4: Compuesta por aleurolitas con diferentes grados de meteorización, con

una coloración que varía desde abigarrado con tonos gris verdoso y amarillento

hasta gris azuloso oscuro en su estado mejor conservado, comportándose como

una roca muy sensible a los cambios de humedad, que clasifica de baja

resistencia en su estado natural, pudiendo llegar a la categoría de suelo al ser

expuesta a ciclos de humedad-sequedad. Su valor medio de resistencia a la

compresión axial es de 8.46 MPa en estado natural, cuando se intemperiza

cambia de roca a suelo, razón por la cual no se puede determinar en laboratorio

su resistencia en estado saturado.

Dadas las características atípicas de este material al ser expuesto a cambios de

humedad bruscos donde puede llegar a comportarse como un suelo, fue analizado

geotécnicamente como tal en una muestra, clasificando desde este punto de vista

como una arcilla limo-arenosa de baja compresibilidad, que según el Sistema

Unificado de Clasificación de Suelos corresponde a un suelo tipo CL.


53

El espesor máximo de esta capa sobre el techo de la excavación es de 21 m y lo

alcanza en el estacionado 0 + 440.01 y el mínimo (3 m) en el 0+860 cerca del

portal de salida.

Es de destacar la existencia frecuente dentro de esta capa de intercalaciones de

caliza y de areniscas de granos fino, con planos de fractura de entre 45º y 60º de

buzamiento.

Según las pruebas de filtración realizadas a esta capa la misma clasifica, según

SNIP: de impermeable a poco permeable.

La tabla 2.1 muestra un resumen de las principales propiedades físico-mecánicas

de estas rocas.

Propiedades UM Capa 4Aleurolitas.

Peso específico g/cm3 2.72Densidad húmedo g/cm3 2.21Densidad seca g/cm3 2.01Porosidad % 26Fricción interna Grados 27.9Cohesión kPa 277Resistencia a lacompresión seca MPa 8.46

Resistencia a lacompresión saturada MPa -

Tabla 2.1. Resumen de las propiedades físico-mecánicas de la roca.

Cálculo del sostenimiento por la Clasificación de Barton.La clasificación cuantitativa basada en el índice Q, establece una clasificación que

se obtiene a partir de la siguiente expresión, la cual considera 6 parámetros

procedentes de la observación del macizo rocoso:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ


54

Estos parámetros son:

:RQD Índice de fracturación.

:Jn Índice de diaclasado.

:Jr índice de rugosidad.

:Ja índice de alteración

:Jw coeficiente reductor por la presencia de agua.

:SRF factor de reducción por esfuerzos (Stress Reduction Factor)

Las relaciones formadas con estos parámetros en la ecuación representan:

Jn

RQD : el tamaño de los boques.

JwJa

Jr : resistencia al corte entre los bloques

SRF : la Influencia del estado tensional.

Cuando no se dispone de sondeos como es el caso que nos ocupa o la calidad de

estos resulte dudosa, se puede emplear la formula aproximada propuesta por

Palmstron:

JvRQD 3.3115

dónde:

:Jv Número total de juntas por m3, que se obtiene sumando las juntas que hay por

metro, de cada familia de la existente en el lugar. En nuestro caso, el

levantamiento geológico arrojó un promedio de 25 grietas por metro cuadrado de

afloramiento en rocas aleuroliticas ( 25Jv ). Por lo que para las aleurolitas con un

%35RQD , el macizo en general es de mala calidad.


55

Al sustituir en la ecuación de Barton los parámetros que se muestran en las tablas

2.2, se obtienen los siguientes resultados:

Para las aleurolitas Q = 0.6. Rocas de muy mala calidad.

Parámetros Descripción ValorRQD (calidad de la roca) Mala calidad 35 %

Jn (índice de diaclasado) Tres familias de diaclasas y algunasaleatorias. 12

Jr (índice de rugosidadde las discontinuidades)

Diaclasas onduladas rugosas eirregulares 3

Ja (índice de alteraciónde las discontinuidades)

Planos de discontinuidades ligeramentealteradas. 2

Jw (factor de reducciónpor la presencia de agua)

Excavación seca, si acaso con pequeñasafluencias (inferiores a 0.08 l/s), muylocalizadas.

1

SRF (condicionestensionales del macizorocoso)

Tensiones pequeñas, cerca de lasuperficie, fracturas abiertas.

2.5ESR (Factor que modificael valor de la anchura realde la excavación)

Galerías mineras permanentes, túnelesde centrales hidroeléctricas (excluyendolas galerías de alta presión)

1.6

Tabla 2.2. Valores de parámetros del índice Q en las aleurolitas del tramo evaluado.

En el caso que nos ocupa, para las rocas aleuroliticas con una Q=0.6, y la

Categoría del Tramo a Excavar (CTE= 1.6), la Luz Teóricamente Activa es de:

4.02 QCTELTE

mLTE 61.2

El factor de seguridad SF de cada tramo excavado sin revestir, determinado por

la relación:

L

LTEFS

Donde.


56

L : es la luz real después de resanar (5.1m). Indican que para el tramo de túnel

que corta las aleurolitas el factor de seguridad es:

51.0SF

Al ser este factor menor que la unidad 1SF , el túnel en su totalidad necesita

sostenimiento estructural; por lo que no se admite dejarlo sin revestir.

Para definir y seleccionar el tipo de sostenimiento a utilizar, Barton propone utilizar

el Método Noruego de Excavación de Túneles (MNET). Sin embargo, la tecnología

de excavación a utilizar (perforación y voladura o máquinas tuneladoras), ejerce

una notable influencia en el tipo de sostenimiento a emplear debido a las

irregularidades y sobre excavaciones producidas por las voladuras, frente a las

máquinas integrales (tuneladoras o minadores), las cuales proporcionan

generalmente una superficie más regular y lisa; aunque en estos últimos casos no

se descarta la aparición de sobre excavaciones, si existen muchas familias de

grietas con una baja resistencia (valores de nJ ya

r

J

J suficientemente adversos).

La experiencia ha demostrado que la aplicación de un espesor normal de

hormigón proyectado (5 – 10 cm) en túneles excavados mediante perforación y

voladura, como es el caso que nos ocupa, no proporciona sostenimiento

estructural como en el caso del revestimiento clásico de hormigón, por lo que en la

práctica se recomienda complementarlo con un bulonado sistemático o arcos

armados reforzado con hormigón proyectado.

Como el Sistema Q del Método Noruego de Excavación de Túneles, proporciona

una adecuada manera de seleccionar el sostenimiento a emplear en los túneles, lo

hemos escogido en este trabajo. Los resultados alcanzados al aplicarlo en este

trabajo se muestran en el Gráfico 2.1.

Para determinar el diámetro equivalente del túnel ( DE ) que se muestra en la parte

izquierda del gráfico, utilizamos la siguiente relación:


57

6.1

1.5sin

ESR

alturaontosostenimieVanoDE

donde se aprecia que el mDE 2.3 .

El parámetro ESR27 de la relación anterior modifica el valor real del ancho de la

excavación, introduciendo un factor de seguridad.

El resultado que muestra el Gráfico 2.1 con líneas discontinuas indica que: el

tramo de túnel que interesa las rocas aleurolíticas por la bóveda, es de muy malacalidad por lo que necesita refuerzo categoría 5, consistente en: hormigón

proyectado con fibras de acero, de un espesor de 50 mm y bulones de 2.4 a 2.5 m

de longitud, separados a 1.5 m.

27 Ver anexo 7


58

Gráfico 2.1. Resultados de la aplicación del MNET de Grimstad y Barton, (1993) en lasaleurolitas.

La intercepción de las líneas continúas de doble saetas con las discontinuas

proyectadas en el Gráfico 2.1, indican que las rocas de los hastíales en ambos

casos son de mala calidad; por lo que se requerirá de un refuerzo de categoría 4

consistente en: bulonado sistemático separados a 1.7 m y de una longitud

promedio de 1.75 m, con hormigón proyectado sin fibras, de 45 mm de espesor.

Como se puede apreciar de la aplicación del Sistema Q del Método Noruego de

Excavación de Túneles (MNT); el tramo a excavar se caracteriza en general por

poseer rocas de muy mala calidad para resistir las presiones ejercidas sobre la

bóveda y mala por los hastíales. Estos condiciones de estabilidad determinan la

necesidad de utilizar para el sostenimiento de la bóveda, hormigón proyectado con


59

fibras de acero de 7 cm de espesor promedio y bulones de 2.6 m de longitud,

espaciados a 1.5 m, mientras que para los hastíales, 10 cm de hormigón

proyectado sin fibras y bulones de 1.75 m de longitud espaciados a 1.7 m.28

3- Definición de los materiales a utilizar

Para el sostenimiento se utilizarán bulones de acero sin protección y hormigón

lanzado con fibras sintéticas. Para la construcción del piso tecnológico se utilizará

hormigón masivo de 15 MPa de resistencia y para el revestimiento hormigón

armado de 30 MPa de resistencia basándose en la norma cubana NC 250/2005

para nivel de agresividad alta, reforzado con acero grado G-40 generalmente de

diámetros medianos para garantizar que sea fácil de ejecutar. Se utilizarán

aditivos aceleradores de fraguado y fluidificantes debido a que el hormigón es

bombeado, la proposición de los aditivos es generalmente por razones

constructivas.

4- Se calculan todas las cargas que pueden actuar en el sistema

Cálculo de la presión minera.

Según la Clasificación de Protodiakonov; propone para este cálculo las

formulas siguientes:

De acuerdo con éste, para las rocas el coeficiente de resistencia se determina por

la expresión:

10Cf

dónde:

:C Resistencia a la compresión simple de la roca. (MPa). Como se observa en la

tabla 2.1, el valor medio de la C para las aleurolitas está en el orden los 8.46

MPa.

28 Ver detalles de sostenimiento con bulonado y revestimiento en Anexo 5.


60

Para calcular la presión uniforme VP que se ejerce sobre la clave del túnel,

propone la expresión:

hPV

dónde:

: densidad de la roca. (2.01 g/cm3 para las aleurolitas)

fBh 2

:B Coeficiente de resistencia de Protodiakonov. Se determina por la expresión:

2452 tgmbB

En la que:

:b ancho del túnel (5.1 m).

:m alto del túnel (5.1 m)

Para la presión uniforme que se ejerce por los hastíales:

2455.0 2 tgmhPL

dónde:

: ángulo de fricción interna de la roca. (27.90 las aleurolitas).

Debe notarse que se toma el ancho de 5.1 metros debido a que es la sección de

excavación.

Los resultados que se alcanzan en este trabajo al aplicar esta clasificación se

muestran en la tabla 2.3.


61

Como se puede apreciar, de acuerdo con el grado de fortaleza que presentan las

rocas por donde se pretende excavar el túnel (Aleurolitas de muy baja resistencia),

resulta necesario el uso sostenimientos adecuados capaces de soportar las

presiones uniformes, ejercidas tanto por el techo como por los hastíales para

lograr su estabilización.

Parámetros Valor medioAleurolitas.

Clasificaciónde laresistencia.

f 0.85

Muy baja mh 6.6

mB 11.22

MpaPV0.13

MpaPL0.51

Tabla 2.3. Resultados alcanzados con la clasificación de Protodiakonov

Cálculo del incremento dinámico de presión por el efecto sísmico.

Para el cálculo del incremento dinámico del empuje debido al sismo, se utiliza la

siguiente expresión:

∆ = 12 ² − 1 −Para el cálculo de ésta expresión se necesita conocer los siguientes parámetros yrespectivas ecuaciones:

Ɣ Densidad del suelo (Ɣ = 2210 kg/m³)

H Profundidad a la que se calcula el empuje (H = 6,6 m)

Kas Coeficiente de presión dinámico activo (Kas = 0,385), elemento quese obtiene con la siguiente ecuación:

= Sen2 + ∅ −Cos Sen2 Sen − − 1 + Sen ∅ + Sen ∅ − −Sen − − Sen + 2


62

Ψ Ángulo entre la horizontal y la base (Ψ = 90°)

Ø Ángulo de fricción interna del suelo (Ø = 27,9°)

θ Ángulo formado entra las líneas límites del arco formado

(θ = 7,125), elemento que se obtiene con la siguiente ecuación:

= ℎ1 −Csv Coeficiente sísmico vertical (Csv = 0,08), elemento que se obtienecon la siguiente ecuación: = 0,70 ℎCsh Coeficiente sísmico horizontal (Csh = 0,115), elemento que seobtiene con la siguiente ecuación:ℎ= 0,50 Ao Aceleración del suelo

δ Asiento diferencial (δ = 18,6)

β Incremento del terreno (β = 0)

Ka Coeficiente de presión activa (Ka =0,36), elemento que se obtienecon la siguiente ecuación:

= ² 45 − ∅2Parámetros UM ResultadosƔ kg/m3 2210H m 6,6Kas adimensional 0,385Ka adimensional 0,36Csv adimensional 0,08ΔDEa kg/m 1461,34


63

Tabla 2.4. Resultados alcanzados con el cálculo del incremento dinámico de presión

por el efecto sísmico.

Cálculo de la Presiones del fluido

Como se expresó anteriormente este túnel está 18.53 metros bajo el nivel de agua

normales de la presa, ahora bien se calcula para el caso más desfavorable que

sería cuando la presa estuviera con el nivel de aguas máximas; pero para el caso

de las combinaciones con la acción sísmica se tomará la presión de aguas

normales, debido a que es muy poco probable que ocurran los dos eventos al

mismo tiempo.

Luego tenemos:

- presión en el nivel de aguas normales:

Fn = γ*h = 1000 kg/m³* 18.53 = 18530 kg/m²= 185.30 kN/m²

- presión en el nivel de aguas máximas:

Fn = γ*h = 1000 kg/m³* 20.53 = 20530 kg/m²= 205.30 kN/m²

5- Modelación del revestimiento y cálculo de las tensiones.

Para la modelación se utilizó el software SAP 2000 V14.

Se detalló la geometría con un modelo aproximado a la sección definida, el mismo

está compuesto por elementos lineales con dimensiones aproximadas al 10% de

la dimensión total de la sección y que no se diferencian entre ellos en más de un

10% de sus respectivas dimensiones29.

Se incluyen los materiales definidos en el paso 3, se asignan las cargas

calculadas y se precisan las combinaciones, 1, 2, 3, 7, 8 y 9 definidas con

anterioridad. Se toma una forma ovoidal compuesta por elementos con sección de

29 Ver Anexo 13.


64

1.00 metro de ancho y 0.25 metros de peralto. Para el análisis se puede tomar el

método lineal equivalente basándonos en los estudios realizados por Antonio

Bobet30 y otros donde se explica que en zonas de aceleraciones bajas esta

consideración produce normalmente errores aceptables en términos de ingeniería.

En zonas de alta sismicidad se proponen métodos dinámicos numéricos. Del

informe ingeniero geológico se tienen los coeficientes de Balasto vertical y

horizontal.

Luego del análisis se analizan los resultados y se obtuvieron los gráficos de

deformación aplicando las cargas anteriormente expuestas31.

6- Diseño estructural del revestimiento de la sección.

Para este ejemplo utilizamos la sección pre definida anteriormente.

En este caso se trata de un procedimiento dirigido a dimensionar la superficie de

ambas armaduras, es decir, As y A’s, suficientes para que la sección resista el

momento de diseño correspondiente a la combinación más desfavorable de las

cargas, o sea, Mu.

En consecuencia se parte de los siguientes datos:

Datos:

Mu =289,73 kN-m ; f´c=30 MPa ; f y = 300 MPa ; bw = 1m ; h = 0,25 m ;

ds = d´s = 0,05 m

Se empleó una metodología de diseño simétrico, debido a que hay inversión de

momentos, de secciones con refuerzo doble lo que dio como resultado un As = 10

cm2, lo que conlleva a que el diseño de la viga sea con 6 barras de 19mm.

30Doctor en Ingeniería civil e ingeniero de caminos, canales y puertos. En el campo de la educación, se hadesempeñado como profesor y director de investigación. Es profesor en la escuela de Ingeniería Civil de launiversidad de Purdue. En el sector empresarial, ha trabajado para varias empresas españolas. Ha publicadoartículos y libros de ingeniería y geotecnia.31 Ver anexo 9.


65

De cada una de las partes se toma la sección más desfavorable y se calcula con

este diseño simétrico, lo cual homogeniza el diseño de las diferentes partes del

túnel.

Conclusiones

Luego de realizada esta investigación y culminado el presente capítulo se ha

demostrado la importancia de conocer todas las etapas del diseño y construcción

de los túneles para realizar un proyecto eficiente.

Prácticamente no existe documentación normativa para este tipo de diseño.

Se ha realizado una metodología acorde a las condiciones actuales de Cuba para

el diseño estructural del revestimiento de túneles. La cual se ha validado mediante

un ejercicio demostrativo de un túnel hidráulico.

Se deben tener en cuenta todas las combinaciones posibles debido a que todos

los túneles son diferentes en cuanto a su ubicación, tipo de geología y condiciones

de trabajo.

Conclusiones PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

66

Posterior a la realización de la investigación científica que dio como resultado la

propuesta de una Metodología para el diseño del revestimiento estructural de

túneles en rocas malas o muy malas y plasmar a lo largo del presente informe, nos

encontramos en condiciones de ofrecer las siguientes conclusiones generales:

En el mundo se utilizan numerosos métodos para la construcción de

túneles, perfeccionados con el decurso de los años y el desarrollo de la

tecnología. Estos métodos surgen de estudios particulares que tienen en

cuenta las condiciones de cada país o zona en la que se construye el

túnel.

En Cuba no existe una metodología autóctona para la excavación y

construcción de túneles, se utiliza generalmente el Método Noruego de

Tunelado.

En el mundo y en Cuba no existe una metodología homogénea para el

diseño y construcción del revestimiento estructural. Este elemento de los

túneles se construye sobre la base de conocimientos generales y

observaciones, experimentos y casos particulares. En nuestro país se

construye bajo métodos empíricos que no garantizan la seguridad y

comprobabilidad de los proyectos de esta naturaleza.

No existe una base legal vigente en Cuba que normalice la excavación,

el diseño y la construcción de los túneles así como la proyección y

ejecución del revestimiento estructural. La base legal vigente en Cuba

aplicable al objeto se refiere solo a algunos materiales de construcción a

tener en cuenta (hormigón armado y aditivos) y Combinaciones de

carga, se hará una determinación de sus términos y símbolos para su

uso en el diseño del revestimiento en túneles.

La metodología elaborada y propuesta en el Capítulo II del informe

cuenta con criterios y fundamentos normativos para el diseño estructural

del revestimiento de túneles, teniendo en cuenta factores tan

importantes como la definición geométrica del túnel y el diseño sísmico.

Conclusiones PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

67

Se comprobó, mediante el diseño del túnel 1 del Tramo Intermedio del

Trasvase Norte-Sur de Guantánamo que la Metodología para el diseño

del revestimiento estructural de túneles, en rocas malas o muy malas,

propuesta en el presente Trabajo de Diploma, es factible y a la vez

recomendable para su aplicación.

Recomendaciones PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

68

Para un acercamiento sistemático al diseño del revestimiento de túneles, como

objeto de investigación y con la finalidad de optimizar esta práctica en el ámbito

ingenieril cubano, desde los planes de estudio hasta la implementación de

proyectos de esta naturaleza, recomendamos:

Incrementar la búsqueda de métodos numéricos con vista a incorporar los

ensayos e investigaciones necesarios para el diseño del revestimiento

estructural de túneles en el país.

Regular mediante una normativa legal la construcción de túneles y otras

obras subterráneas en Cuba.

Regular mediante una normativa legal el uso de hormigón con fibras y los

bulones en las obras constructivas.

Incluir en la bibliografía mínima indispensable de la carrera de Ingeniería

Civil la serie de libros de Ingeniería de Túneles, de los autores Scotti, G y

G. Russo (2005).

Generalizar la metodología propuesta en el presente Trabajo de Diploma

entre los profesionales que se dedican al diseño de túneles y aplicar la

anterior en el revestimiento estructural de los mismos. Posteriormente

realizar un estudio y evaluación de la implementación de la anterior.

Proponer la tesis como material de estudio para los constructores y

diseñadores de túneles.

Glosario PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

70

Bulonaje: Es una técnica de sostenimiento que, en esencia, consiste en anclar

en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una

resistencia a tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar las

características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento.

Bulones: son elementos lineales de refuerzo que se colocan dentro de un

taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren a ésta por un

procedimiento mecánico o por medio de una sustancia adherente.

Cerchas: Elementos de acero que tienen una función resistente de por sí y,

generalmente, en unión con hormigón proyectado.

Diseño (estructural): El diseño estructural se realiza a partir de un adecuado

balance entre las funciones propias que un material puede cumplir, a partir de

sus características naturales específicas, sus capacidades mecánicas y el

menor costo que puede conseguirse.

Hormigón proyectado (gunita): Hormigón que se coloca mediante proyección

del mismo contra la superficie que se desea proteger, de forma que queda

adherido a ésta.

Macizo rocoso o masa rocosa: es un conjunto constituido por una o varias

matrices rocosas que: presenta una determinada estructura, que está afectado

por un cierto grado de afectación y que tiene una serie de discontinuidades.

Metodología: Conjunto de métodos que se siguen en una investigación o

proceso.

Revestimiento de túneles: Parte estructural del sostenimiento de los túneles,

es la parte encargada de soportar las tensiones y mantener la integralidad

geométrica y estructural del túnel.

Revestimiento: Elemento constructivo que recubre la estructura portante o los

cerramientos de una edificación.

Glosario PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

71

Roca o matriz rocosa: puede definirse como agregado de más de una especie

mineral, que presenta los mismos caracteres de conjunto en un área de cierta

extensión de la corteza terrestre.

Roca: Un ingeniero civil o geotécnico aplicaría este término a los materiales

duros y resistentes que forman parte de la corteza terrestre.

Suelo: como el producto derivado de la roca, como consecuencias de procesos

meteorizantes.

Túnel: Pasaje, galería o calzada construida debajo de la tierra o del agua.

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df

Anexos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DELREVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES

78

Anexo 1. Prueba de Índices manuales. (R0 a R6)

Grado Descripción Identificación en campo Resistencia a lacompresiónsimple (MPa)

R0 Roca extremadamenteblanda

Se puede marcar con la uña. 0,25-1,0

R1 Roca muy blanda La roca se desmenuza al golpear conla punta del martillo. Con una navajase talla fácilmente.

1,0-5,0

R2 Roca blanda Se talla con dificultad con una navaja.Al golpear con la punta del martillo seproduce pequeñas marcas.

5,0-25

R3 Roca moderadamentedura

No puede tallarse con la navaja.Puede fracturarse con un golpe fuertedel martillo.

25-50

R4 Roca dura Se requiere más de un golpe con elmartillo para fracturarla.

50-100

R5 Roca muy dura Se requieren muchos golpes con elmartillo para fracturarla.

100-250

R6 Roca extremadamentedura

Al golpearlo con el martillo sólo saltanesquirlas.

>250


Anexo 2. Partes componentes de la sección transversal del túnel en formaovoidal.

Figura 1. Partes componentes de la sección ovoidal.


Figura 2. Sección ovoidal de un túnel hidráulico ya construida.


Anexo 3.Fases de trabajo en el Método Noruego de Excavación de Túneles


Anexo 4. Esquema de la sección típica.


Anexo 5. Esquemas de sostenimiento y revestimiento.

Anexos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL REVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DETÚNELES

Anexo 6. Perfil Ingeniero Geológico del Túnel 1

En este perfil se muestran las capas geológicas, las cotas de entrada y salida, las ubicaciones de las fallas, el nivelfreático y la longitud total del túnel. El Nivel de Aguas Normales de la Presa Yateras se observa a la izquierda.


Anexo 7. Valores recomendados para el factor ESR de determinación del nivel deseguridad.

TIPO DE EXCAVACIÓN ESR

A Labores mineras de carácter temporal, etc. 2-5

B Galerías mineras permanentes, túneles de centraleshidroeléctricas (excluyendo galerías de alta presión),túneles pilotos, galerías de avance en grandesexcavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica

1,6 – 2,0

C Cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento deaguas, túneles de carreteras secundarias y de ferrocarril,túneles de acceso

1,2 – 1,3

D Centrales eléctricas subterráneas, túneles de carreterasprimarias de ferrocarril, refugios subterráneos para defensacivil, emboquilles e intersecciones de túneles.

0,9- 1,1

E Centrales nucleares subterráneas, estaciones de ferrocarril,instalaciones públicas y deportivas, fábricas, túneles paratuberías principales de gas.

0,5 – 0,8


Anexo 8. Modos de deformación de túneles producidos por ondas sísmicas

(adaptado de Owen y Scholl, 1981).

Las ondas sísmicas producen las siguientes deformaciones en un túnel:

1) Compresión axial (longitudinal) y extensión (Figura 3a), debidas a las ondas P

que viajan paralelas al eje del túnel.

2) Compresión y extensión transversal (Figura 3b), debida a las ondas P que se

mueven perpendicularmente al eje del túnel.

3) Flexión axial (longitudinal) o de arrastre (Figura 3c), causada por ondas S que

viajan a lo largo del eje del túnel.

4) Cortante axial (longitudinal), (Figura 3d) debido a ondas S que se propagan en

sentido perpendicular al eje del túnel con movimientos paralelos al eje del túnel.

5) Ovalización o deformación transversal (Figura 3e para ovalización y Figura 3f

para deformación transversal), inducida por ondas S que se propagan

perpendicularmente al eje del túnel e inducen movimientos del terreno también

perpendiculares al eje del túnel. En términos generales, las deformaciones por

ovalización y las transversales son las más críticas (Wang, 1993).


Anexo 9. Mapa Geológico de Cuba.

Anexos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL REVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DETÚNELES

Anexo 10. Investigación Ingeniero Geológica Regional Básica del Proyecto del Trasvase Norte- Sur

Investigación Ingeniero Geológica Regional Básica


Anexo 11. Gráfico del COMBO 1



Anexo 12. Tabla de Valores de la Aceleración Sísmica

AcelaraciónSísmica(%g)

Velocidad Sísmica(cm/s)

Percepción deltemblor

Potencial deddaño

< 0.0017 < 0.1 No apreciable Ninguno

0.0017 - 0.014 0.1 - 1.1 Muy leve Ninguno

0.039 - 0.092 3.4 - 8.1 Moderado Muy leve

0.092 - 0.18 8.1 - 16 Fuerte Leve

0.18 - 0.34 16 - 31 Muy fuerte Moderado

0.34 - 0.65 31 - 60 Severo Moderado afuerte

0.65 - 1.24 60 - 116 Violento Fuerte

> 1.24 > 116 Extremo Muy fuerte


Anexo 13. Detalle de la geometría con un modelo aproximado a la sección

definida.

El mismo está compuesto por elementos lineales con dimensiones aproximadas al

10% de la dimensión total de la sección y que no se diferencian entre ellos en más

de un 10% de sus respectivas dimensiones.


Anexo 14. Proposición de la Metodología de Diseño para el RevestimientoEstructural de Túneles en Rocas malas o muy malas en Cuba.

Datos:• Estudio Ingeniero-geológico• Trazado del túnel• Finalidad del túnel• Equipamiento

Paso 1Definir la forma

geométrica.

¿Cumplerequisitos

?

Paso 2Diseñar un sostenimiento porun método empírico:

Q de Barton Bieniawski (RMR)

El sostenimiento sepuede asumir como

revestimiento acriterio delproyectista.

Paso 5Se modela el sistema y se calculan las tensiones

actuantes en sus elementos componentes.

Paso 6Con las tensiones obtenidas, se diseña el

sostenimiento en función de la forma y losmateriales definidos según la normativa vigente.

RocaMala

RocaBuena

Paso 4Se calculan todas las cargas que pueden

actuar en el sistema.

Paso 3Definir en función de las características, vidaútil y formas de utilización del túnel, cuáles

serán los materiales idóneos para laconstrucción del revestimiento.

NO SI

Propuesta de una Metodología para el Diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas...

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