Desde la antiguedad el hombre ha realizado excavaciones subterrneas, principalmente ligadas a actividades mineras. Estas actividades han permitido experimentar y conocer el comportamiento del medio rocoso cuando se realizan excavaciones en su interior. Esta experiencia secular ha propiciado el anlisis de los comportamientos de las rocas y el desarrollo de tcnicas de construccin eficaces para asegurar la estabilidad de las excavaciones subterrneas. En pocas recientes, las tcnicas de construccin de trabajos subterrneos han experimentado principalmente en la Europa Central (Alemania y Austria) un notable desarrollo con la proliferacin de mtodos de construccin, Alemn, Belga, Austraco ... Simultneamente ha ido cristalizando una tecnologa propia de los trabajos en ' subterrneo, con la contribucin inestimable de ciencias como la geologa, la mecnica de rocas y la resistencia de materiales. Modernamente, a partir de los aos 60, el profesor austriaco Rabcewicz supo explicitar con una mayor claridad y sintetizar, en unos pocos principios, lo que comunmente se llama Nuevo Mtodo Austriaco (NMA), la experiencia acumulada durante siglos en los trabajos subterrneos. Realmente, aunque fue objeto de patente en su da como mtodo de construccin, el NMA no es un mtodo propiamente dicho, sino una filosofa que permite ejercitar acciones eficaces para contribuir a la estabilidad de las excavaciones subterrneas. En realidad, los principios enunciados por el profesor Rabcewicz son de posible cumplimiento con cualquiera de las tcnicas constructivas modernas de las obras subterrneas, en las que predominan la utilizacin de nuevos elementos estructurales en el sostenimiento y revestimiento, de tcnicas de mejora del terreno y la aplicacin creciente de una maquinaria de alta tecnologa y una gran especializacin, como las mquinas de excavacin mecnica de tneles (mquinas TBM, escudos, rozadoras), las tcnicas que permiten cualquier tipo de inyeccin previa de los terrenos, la congelacin de terrenos con presencia de agua, ... En esencia, las ideas fundamentales enunciadas por el profesor Rabcewicz son las siguientes:

O La zona de roca que circunda al tnel interviene en la estabilidad de la excavacin y es el principal elemento del que depende sta. Es decir, es la propia roca la que se autosostiene, ya que se forma un arco de descarga en torno al tnel que transmite las tensiones a ambos lados de ste. Como consecuencia de lo sealado en el punto anterior, conviene mantener inalteradas, en la medida de lo posible, las caractersticas de la roca que rodea al tnel. Para ello es beneficioso emplear cualquier tcnica de excavacin mecnica o, en su defecto, tcnicas que suavicen el efecto de las voladuras sobre la roca: recorte, precorte, ...

Q Para facilitar la distribucin de tensiones en el anillo de roca que rodea al tnel, se deben disear los tneles con formas redondeadas, evitando los puntos angulosos. El sostenimiento se colocar de forma que deje deformarse al terreno,

siempre dentro de la estabilidad del tnel, con objeto de que la roca desarrolle su capacidad autoportante. La carga que va a soportar el sostenimiento depender pues del momento en que se coloque tras la excavacin.

o En la etapa de Proyecto se disean varios tipos de sostenimiento a aplicar segn sea la calidad de la roca. Durante la obra los sostenimientos se optimizan con la informacin que aporta la instrumentacin del tnel.

o Inmediatamente tras la excavacin se coloca un sostenimiento primario que estabiliza al tnel. Ms adelante, en funcin de otros factores, tales como presencia de agua u otros factores funcionales, puede colocarse o no un revestimiento definitivo de hormign encofrado.

Dado que, como se ha indicado ms arriba, el anillo de roca que rodea al tnel es el principal elemento que proporciona estabilidad a la excavacin, el sostenimiento tendr como primera misin evitar que el terreno pierda propiedades por efecto del proceso constructivo, o incluso que las mejore. Solamente en segundo lugar se sita la capacidad resistente por s misma del sostenimiento, que es muy pequea comparada con las grandes tensiones que pueden existir en el interior de los macizos rocosos, debido al enorme peso de las coberteras de roca habituales. Los elementos generalmente usados para el sostenimiento de las excavaciones subterrneas en roca son dos:

El hormign proyectado, en masa o armado e Los bulones Adems de estos dos elementos se usan otros en algunas circunstancias, especialmente cuando se trata de atravesar zonas de roca de mala calidad: las cerchas metlicas, los paraguas o enfilajes, chapas tipo Bernold, otros tratamientos especiales: inyecciones, drenajes, etc.. . En los captulos que siguen se detallarn de forma minuciosa las caractersticas, posibilidades, aplicaciones y limitaciones de cada elemento. A continuacin, de forma resumida, se sealan las acciones ms importantes de cada uno de los elementos estructurales del sostenimiento de los tneles: HORMIGN PROYECTAD0.- El hormign proyectado tiene dos efectos principales:

Sella la superficie de la roca, cerrando las juntas, evitando la decompresin y la alteracin de la roca. De este modo el terreno puede mantener, en una mayor medida, sus caractersticas iniciales. e El anillo de hormign proyectado desarrolla una resistencia y puede trabajar como lmina, resistiendo las cargas que le transmite la roca al deformarse. Tambin resiste la carga puntual ejercida por pequeas cuas o bloques de roca que descansan sobre la capa de hormign. BULONES. - LOS bulones tienen igualmente dos efectos bsicos sobre la roca:

El bulonado cose las juntas de la roca, impidiendo que cuas y bloques puedan deslizar a favor de las fracturas. Generalmente la rotura de un macizo rocoso se produce siempre a favor de las juntas. e Por otra parte, el bulonado tiene un efecto de confinamiento de la roca, actuando del mismo modo que las armaduras lo hacen dentro del hormign. Gracias a este efecto se consiguen absorber las tracciones que aparecen en el terreno, e impedir la formacin de zonas decomprimidas.

CERCHAS. - La cercha tiene una funcin resistente trabajando como un arco y colaborando con el hormign proyectado. Tiene la ventaja sobre ste que su resistencia inicial ya es la definitiva, mientras que en el hormign las resistencias se desarrollan con el tiempo. Otra funcin de las cerchas es definir claramente la geometra del tnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormign proyectado y a evitar sobreexcavaciones o zonas dentro de glibo. PARAGUAS.- LOS paraguas o enfilajes son elementos lineales de refuerzo previo colocados paralelamente al tnel por delante del frente y situados por encima de la lnea de excavacin. Mediante la accin de los paraguas, se puede conseguir atravesar una zona de mala calidad de roca sin que se produzcan desprendimientos en clave. CHAPAS BERNOLD.- Este tipo de chapas ranuradas se usan como encofrado perdido para rellenar huecos, zonas donde ha habido un desprendimiento, etc. Su buena adherencia al hormign hace que puedan actuar como elemento resistente junto con ste, adems de servir de encofrado perdido. T R , ~ , T A N I I E ~ Y - ~ O S ESPECIALES. - LOS tratamientos especiales son de muchos tipos, y se utilizan para atravesar zonas de mala calidad del terreno. Entre los principales estn los siguientes: drenajes del frente, machones en el frente, inyecciones convencionales, inyecciones mediante jet-grouting, anclajes tensados, congelacin, bulonado del frente, etc.

-1 El hormign proyectado (tambin llamado gunita) es el hormign que se coloca mediante proyeccin del mismo contra la superficie de roca que se desea proteger, de forma que queda adherido a sta. El hormign proyectado se diferencia nicamente del hormign colocado (encofrado y vibrado), aparte del mtodo de puesta en obra, en que el tamao mximo de los ridos es menor y en que lleva siempre, como aditivo, un acelerante para facilitar su adherencia a la superficie de roca y para conseguir altas resistencias iniciales. Existen dos tipos de hormign proyectado en funcin del mtodo de puesta en obra: por va seca y por va hmeda. En el hormign por va seca se proyecta separadamente el agua y la mezcla de ridos y cemento, logrndose su unin precisamente en el impacto contra la superficie que se est gunitando. En cambio, en el hormign por va hmeda se efecta la mezcla completa (cemento + ridos + agua + aditivos) como en el hormign convencional y se proyecta posteriormente la mezcla obtenida.

-1 LOS materiales de que consta el hormign proyectado son los siguientes: Cemento

O Aridos Agua Aditivos: acelerantes, etc. Armadura de refuerzo: mallazo o fibra.

A continuacin se analiza detalladamente cada uno de ellos excepto la armadura de refuerzo, que merece un captulo aparte. CEMENTO.- El cemento que se emplea para el hormign proyectado puede ser el mismo que cualquiera de los que se usan para el hormign convencional. Se deben cumplir las especificaciones del Pliego de Prescripciones Tcnicas RC-88'7', pero adems se recomienda cumplir las siguientes caractersticas "':

1 g 0 1 O Principio de fraguado: 1.5 a 4 horas.

Huso p-a n ulo n trico pam Taman'o

fMdxinzo 16 rznz.

Huso g a n zdo~ntrico para Taman'o

Mhcinzo 12 mm.

Finura de molido: 3500 a 4500 cmzlg. e Resistencia a Compresin Simple, segn la tabla 7.1.

Contenido en aluminato triclcico: 400 mgll, o tan bajo como sea posible, si es mayor de 1000 mgll.

Temperatura de almacenamiento: ~70C . El contenido tpico de cemento oscila entre los 300 y los 450 KgIm3, mayor cuanto menor es el tamao del rido y mayores resistencias se quieren alcanzar. RIDOS.- Se seguirn las recomendaciones generales de la Instruccin de Hormign EH-91@), limitando el tamao mximo del rido a 8 mm en hormign por va hmeda y 16 mm (recomendable 12 mm) para el hormign por va seca. Actualmente la tendencia es no superar los 8-10 mm. tamao mximo del rido. Experimentalmente se comprueba que las caractersticas del hormign proyectado mejoran si se consigue una granulometra de ridos continua. Se han establecido unos

TAMIZ (mm)

husos granulomtricos dentro de los cules es recomendable encajar la granulometria para lograr un hormign ptimo. Las distintas normativas nacionales ofrecen husos similares (DIN1045 alemana, AFTES francesa, Comit 506 de la ACI (USA)), de los que se han extrado los que se muestran en la tabla 7.2 y en las figuras 7.1, 7.2 y 7.3., para los casos de 16mm, 12mm y 8mm, respectivamente, de tamao mximo del rido. Para otros valores puede interpolarse linealmente entre los husos dados.

TAMIZ (mm)

Huso granulomtrico para Tumaiio Mximo 8 nzm.

AGUA.- Se seguirn las recomendaciones de la EH-91; en general son vlidas las aguas sancionadas por la prctica y aqullas con bajo contenido en sales y sustancias orgnicas. ADITIVOS.- LOS principales aditivos que pueden usarse en el hormign proyectado son los acelerantes, las cenizas volantes y el humo de slice. ACELERANTES: Los acelerantes son productos qumicos (silicatos, aluminatos, carbonatos, hidrxidos, cloruros, etc.) que hacen que el cemento reaccione ms rpidamente, con lo que se consiguen altas resistencias iniciales. Como inconveniente se observa una reduccin de la resistencia final, a largo plazo, del hormign. Dado que existen muchos tipos de acelerantes, debe buscarse uno que sea compatible con el cemento utilizado, y tantear la cantidad de acelerante ptima, suficiente para lograr una alta resistencia inicial pero que no reduzca demasiado la resistencia final. En el hormign proyectado, debido a su procedimiento de puesta en obra, as como a la necesidad de que desarrolle resistencia de forma rpida, es indispensable el uso de acelerantes.

El acelerante se puede suministrar en polvo o Iquido. En este l t imo caso se puede dosificar con mayor precisin siendo la accin del acelerante ms eficaz. Los contenidos mximos recomendados (relacin acelerante / cemento) son: 10% para polvo y 8% para Iquido. Con los acelerantes lquidos se elimina el ambiente agresivo en el frente de trabajo, originado por las partculas del acelerante en polvo en suspensin en el aire. Los contenidos recomendables segn diversos casos son los indicados en la tabla 7.3"': CENIZAS VOLANTES: La adicin de cenizas volantes al cemento normalmente mejora la adherencia a la superficie de roca y la resistencia a largo plazo. Se recomiendan los valores indicados en la tabla 7.4"). HUMO DE S~LICE, O MICROSILICE: La adicin de Si02 al hormign tiene varias ventajas:

reduce el polvo, reduce el rechazo, mejora la adhesin y la resistencia. Debe comprobarse, no obstante, la compatibilidad con el acelerante. Necesita, para un uso adecuado, de una buena distribucin en la mezcla. En cuanto a sus caractersticas, se recomiendan los valores que se muestran en la tabla 7.5:

IPUESTA EN OBRA 1 Como ya se ha indicado anteriormente, existen los mtodos para la puesta en obra del hormign proyectado: por va hmeda y por va seca. El funcionamiento de cada uno es como sigue: V ~ A SECA.- En la figura 7.4 se muestra una gunitadora tpica por va seca. El proceso es

Gunitadonz por va seca

(Cortesa ALVA)

e-- AGUA

Guzitado por va seca

e----- MEZCLA SECA

1 - TOLVA DE ALIMENTACION 2 - AGITADOR 3 - AlRE COMPRIMIDO 4 - SALIDA DEL MATERIAL 5 - EJE DE TRASMISION 6 - AlRE COMPRIMIDO

como sigue (figura 7.5): la mezcla de cemento, ridos, aditivos en polvo y fibras, si existen, se va echando en la tolva de la gunitadora. All se agita y alimenta un rotor alveolar que gira en torno a un eje vertical. Cuando un determinado compartimento alcanza una cierta posicin, el aire comprimido pro-cedente de un compresor empuja la mezcla a travs del conducto de transporte y proyeccin (tubera y manguera de proyeccin). En la boquilla de la manguera se aade el agua y los aditivos Iquidos disueltos en sta, que llegan a presin por otra manguera. La mezcla de cemento, ridos y agua se produce en la boquilla de la manguera. El operario que est gunitando porta la manguera de la mezcla y grada manualmente la entrada de agua, en funcin de la consistencia que aprecia en el hormign resultante. Por este motivo el hormign proyectado por va seca resulta bastante sensible a la habilidad y experiencia del operario. V ~ A H U F \ A E D A . - E l gunitado por va hmeda es un proceso muy similar al

Gunitado por va hmeda

manguera, en cuya boca se aade aire comprimido para proyectar la

bombeo de hormign. En la figura 7.7 se muestra una guni-tadora de va hmeda tpica. La mezcla completa (cemento + ridos + agua + aditivos) se vierte sobre la tolva de la gunitadora. All, mediante un sistema de torni l lo sin f in o neumtico, se impulsa por la

u

mezcla. Tambin es posible aadir . . ... . .

aditivo: ADITIVOS hl ; lquidos en la boquilla de la manguera (figura 7.6).

Gzt z itado ra por vta hmeda

(Cortesta Sch wing;) En tabla 7.6 se muestran las principales caractersticas, ventajas e inconvenientes de ambos sistemas.

Robot gunitador

(Col-testa ALIVA)

RECOR4ENDACIONES GENERALES.- En lo referente al proceso concreto de proyeccin del hormign, existen algunas recomendaciones a tener en cuenta para lograr una buena calidad del hormign resultante. Estas pueden resumirse en los siguientes puntos:

La superficie a gunitar debe estar limpia y ligeramente hmeda para que se adhiera bien el hormign. Esto puede conseguirse proyectando, previamente a la mezcla completa, agua y aire durante unos minutos.

En puntos donde fluye agua desde la roca la gunita no se adhiere. En tal caso conviene entubar el flujo de agua y gunitar alrededor, dejando salir el agua. Tambin es prctica habitual reducir un poco la cantidad de agua de la mezcla.

El operador que gunita debe tener experiencia, ya que un correcto gunitado depende, en gran medida, de la habilidad del operador.

El trabajo de gunitar es penoso, por lo que se consiguen mejores condiciones de trabajo y mayores rendimientos usando un robot gunitador (figura 7.8). Esta mquina tiene un dispositivo que permite manejar la manguera por control remoto con un operario situado a una distancia de seguridad del frente.

La distancia de la boquilla a la superficie a gunitar debe estar entre 0.60 y 2.0 metros. Se debe gunitar perpendicularmente a la superficie, moviendo la boquilla describiendo crculos de abajo a arriba. Con ello se consigue una mejor adherencia y homogeneidad y un menor rechazo.

Se llama rechazo a la parte de la gunita proyectada que no se adhiere y cae al suelo. El rechazo habitualmente est entre un 50 y un 100 % del total de hormign que queda adherido (va seca), por lo que supone un porcentaje muy importante que encarece notablemente el costo del hormign proyectado. El rechazo se reduce con una buena dosificacin de la mezcla y una adecuada puesta en obra, siendo importante la habilidad del operario. Por va hmeda el

suele ser mucho menor que 1 ~ @ @ ~ ~ ~ @ % % % @ ! = ~ 1 por va seca, incluso menor del 10% con una mezcla correcta. e Las gunitadoras funcionan con aire comprimido, por lo que es necesario la instalacin de un compresor de caudal adecuado en el tnel. En la tabla 7.7 se muestran los caudales necesarios de aire a 700 I

A - Placas de bulones B - Alambres en hormign

C - Diapasones m

De este modo se consigue que gunita, mallazo y bulones tra- bajen conjuntamente. Es recomendable que entre unos paos y otros de mallazo se dejen siempre al menos 20-30 cm de solape. El mallazo debe ajustarse lo ms posible al terreno, ya que, de otro modo, al gunitar sobre l podran quedar huecos entre el hor- mign proyectado y la roca. Adems la vibracin, inducida en la malla por la proyeccin, eleva el porcentaje de rechazo. Para trabajar adecuadamente, el mallazo debe estar embebido

dentro del hormign. Esto implica efectuar el gunitado en dos capas, y colocar el mallazo entre ambas. Muchas veces se coloca el mallazo en primer lugar y luego se gunita todo el espesor encima. Esta prctica tiene la ventaja de que el mallazo acta desde el primer momento evitando la cada de pequeas cuas, pero tiene el inconveniente de una menor durabilidad (corrosin por las aguas que afloran desde la roca) y de peor comportamiento estructural (el acero no est completamente embebido en el hormign). En ciertos tneles de seccin reducida y en roca de buena calidad, en los que no se utiliza hormign proyectado, puede usarse el mallazo solo, en combinacin con los bulones, para evitar la cada de cuas y bloques. FIBRA DE ACERO.- Si en la mezcla del hormign se aaden fibras de acero junto con los ridos y el cemento, el producto resultante tendr, embebidas en su masa, gran nmero

1 L 1 d =0.5 mm. L = 30 mm.

CARTA DE IDENTIDAD DRAMIX ZP 301.50

de estas fibras dispuestas en todas las direcciones, lo que le confiere una resistencia a traccin que el hormign en masa no tiene. Las fibras usadas para refuerzo del hormign proyectado tienen la forma que se muestra en la figura 7.10. Son alambres de acero conformados en fr o formando unas patillas que mejoran su adherencia con el hormign. Se fabrican en varios dimetros y longitudes, siendo el ms habitual el de 0.5 mm de dimetro y 30 mm. de longitud. La cuanta con que se emplean est comprendida entre 30 y 50 Kg de fibra por m3 de hormign. Las fibras se suelen conocer por uno de sus nombres comerciales: DRAMIX (de la casa Bekaert S.A.). En la figura 7.1 1 se muestra la carta de identidad de un tipo de fibra DRAMIX"). Este grfico muestra varias caractersticas del hormign con fibra para varios contenidos de sta. El factor Ru indica la relacin en tanto por ciento entre la resistencia a flexin de una probeta de 150x1 50x600 mm. con y sin fibra. Los otros factores indican la tenacidad del material, es

decir, la energa de deformacin que absorbe el hormign con varios contenidos de fibra. La utilizacin de hormign proyectado con fibra conlleva una serie de ventajas e inconvenientes con respecto al uso de mallazo, y es un tema controvertido hoy en da el distinguir cundo se debe utilizar uno y otro. Se pueden sealar los siguientes consideraciones a este respecto:

La puesta en obra de la fibra es muy sencilla puesto que simplemente se aade a la mezcla del hormign junto con los ridos. En cambio, el mallazo tiene una colocacin lenta y en ocasiones dificultosa.

- El hormign con fibra ocasiona unos desgastes en distintos componentes de la mquina en la manguera y en la boquilla de gunitado, muy superiores a los debidos al hormign sin fibra. La fibra no acta hasta que el hormign ha endurecido, es decir, despus de varias horas de la colocacin. En cambio el mallazo acta desde el primer momento, y es capaz por s solo de resistir la cada de pequeas cuas y bloques.

- El contenido en fibra del hormign es muy difcil de controlar. Normalmente es necesario aadir ms cantidad en la mezcla para conseguir un cierto contenido in-situ, ya que el rechazo de fibras es importante.

c: El rechazo del hormign con fibras es menor que el del hormign sin fibras. El mallazo, si est mal colocado, dejando huecos entre l y la roca, aumenta el rechazo de forma considerable.

largo plazo). A continuacin se describen los principales controles que se realizan habitualmente en la obra: r n~~ - rn , , i \ l ~ ~ ; ~ ~ CEL E5PiSO3. - El control del espesor es importante porque suele ser uno de los motivos de discusin ms habituales entre Contratista y Direccin de Obra, debido a la tendencia de aqul a colocar espesores menores de los exigidos. El espesor de la capa de hormign puede controlarse dejando unos clavos en las paredes y clave del tnel antes del gunitado, que sobresalgan una distancia equivalente al espesor que es necesario colocar. Estos clavos han de cubrirse con el gunitado. Despus de la puesta en obra puede controlarse el espesor con una taladradora manual, haciendo un taladro hasta encontrar la roca y midiendo su profundidad. Otro mtodo posible es sacar un testigo del hastial del tnel, que tambin puede emplearse para ensayarlo a compresin simple.

E!\JS.&'!~S C G ~ . I T ~ \ O L

COMTXOL DEL CONTENIDO ti\! FIB?,A.- Se puede medir en laboratorio el contenido en fibra de una muestra de hormign mediante molido y separacin del acero por un procedimiento magntico o manual. El control se puede efectuar sobre una muestra obtenida de artesa o del hastial del tnel y tambin sobre una muestra de mezcla antes del gunitado. El contenido en fibra exigido siempre debe considerarse in-situ, y suele ser diferente del contenido en la mezcla. RESiSTEi\!CIA A LARGO PLAZO.- La resistencia a largo plazo se evala rompiendo una probeta de hormign de forma cilndrica a compresin simple. Generalmente se mide la resistencia a las edades de 3, 7 y 28 das. Las probetas se obtienen mediante una mquina tomatestigos, bien del mismo hastial del tnel, bien de una artesa. Este ltimo procedimiento es el ms utilizado, y consiste en lo siguiente: durante el gunitado se proyecta tambin sobre una artesa de madera colocada en posicin vertical. La artesa se deja en el tnel hasta su fraguado y de ella se extraen un mnimo de seis probetas (testigos) que se rompen en el laboratorio.

El control que se realiza sobre el horm~gn proyectado es de dos tipos: cuantitativo (espesores, contenido en fibra) y cualitativo (resistencia a corto y

SES~ST;:V~!R ,A E3Fj.13 p ~ i . 7 9 . - Generalmente es ms importante la resistencia a corto

sobre resistencia temprana del

homign p vy ectado

Mtodos para detenninnr La

resistencia a corta edad

plazo del hormign proyectado que a largo plazo. Esto es especialmente evidente cuando el tnel lleva un revestimiento definitivo de hormign encofrado y si tenemos en cuenta que la roca presiona sobre el sostenimiento inmediatamente tras la excavacin. La figura 7.12 muestra las resistencias requeridas por la Norma Austraca de hormign proyectado en las primeras 24 horas"' A edad tan temprana, es imposible obtener probetas o testigos del hormign que se puedan romper a compresin simple, por lo que hay que acudir a procedimientos indirectos para evaluar la resistencia del material. En la figura 7.1 3 se muestran los

RC (WIPa) procedimientos existentes y el rango de aplicacin de cada uno"'. Dado que se trata de mtodos indirectos, suelen dar bastante dispersin. Por esta causa se recomienda efectuar el ensayo sobre el mayor nmero de muestras posible. E l primer mtodo se realiza me- diante el uso de un penetrmetro (figura 7.14). Consiste en clavar una aguja en el hormign fresco a una presin fija proporcionada por un muelle. E l fabricante facilita una correlacin entre la longitud a la que

15 30 1 2 3 6 9 17 24 se introduce la aguja y la resistencia MINUTOS HORAS -1 del hormign'

1 J, : CASOS NORMALES J, : TUNEL CON ALTAS CARGAS INICIALES

i J, : CASOS EXCEPCIONALES

A - Penetrmetro dia.9 mm. B - Penetrmetro dia.3 mm. C - Mtodo de arrancamiento

o clavado de buln. D - Testigos.

5 15 30 1 2 5 1 0 24 2 3 7 28 29

MINUTOS HORAS & DIAS -1

Penetrmetro

Otro mtodo es el llamado Kaindl-Meyco (figura 7.1 5). Consiste en dejar en el hastial del tnel unas piezas metlicas de la forma y dimensiones que se observa en la figura y gunitar sobre ellos una capa de 3-4 cm de hormign. Posteriormente se tira de dichas piezas mediante un gato y se arrancan junto con un cono de gunita. El fabricante suministra unas curvas en la que se correlaciona la resistencia del hormign con la fuerza que es necesario aplicar para arrancar los clavos y el tamao de stos. Por ltimo est el denominado ensayo de arrancamiento (figura 7.16). Se intro-

~ ~ ~ ~ , ~ N ~ TUERCA DEL MANGUITO 7 MUELLE CALIBRADO AGUJA DE PENETRACION

I 1

AGUJA DE PEA VASTAGO GRADUADO ORIFICIO DE VENTliAClON DEL DESLIZAMIENTO PUNTA DE APOYO DE LA AGUJA

TUERCA DE MARIPOSA PARA EL VOLANTE

I ROSCA DEL MANGUITO

ducen unos clavos en el hormign mediante una pistola y luego se arrancan mediante un gato. El fabricante proporciona igualmente una curva de calibracin que relaciona la resistencia del hormign con la fuerza necesaria

1 para arrancar el clavo.

a sta por un procedimiento mecnico o por medio de una sustancia adherente. Tienen

-. si: ~IJLOM:S

los efectos que ya se analizaron en el apartado 7.2: cosido de las juntas y fuerza de confinamiento sobre el macizo rocoso. Por su forma de actuar, existen en principio dos tipos de bulones: los activos y los pasivos. En la figura 7.17 se muestra el funcionamiento de cada uno. El buln activo funciona como un anclaje: est unido a la roca por la punta, tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El buln se tensa a una carga comprendida entre 6 y 15 toneladas, segn tipos y dimetros, y la placa transmite dicha carga al macizo rocoso. El buln pasivo, por el contrario, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y acta de forma similar a las armaduras del hormign: slo entra en carga cuando la roca se deforma y arrastra con ella al buln. Tericamente no es necesario el uso de placa, aunque se suele poner para sujetar al mallazo, si ste existe. En la construccin de tneles se usa casi siempre el buln pasivo. Los motivos son

Los bulones, tambin llamados pernos, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren

Bulo~zes activos y pasivos

Buln de anclaje mecnico

Buln de redondo inyectado

A - ACTIVOS ., . BULBO A N C W E

FUSTE TUERCA

E W B - PASIVOS

BULONES DE ANCWE MECANICO - ANCLAJE DE EXPANSION

fundamentalmente dos: es ms rpido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual sta desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios bsicos de la construccin moderna de tneles). Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de bulones en funcin bsicamente de su sistema de colocacin y adherencia a la roca. Los ms utilizados son los siguientes: B!JLN 3 E AN[@,jE $ ~ ~ c $ j j ~ 3 . - (f igura 7.18 y tabla 7.9) Consiste en una barra de acero que lleva en la punta un mecanismo, cua de expansin, que se abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento. La barra se tensa mediante una tuerca en la cabeza. Es un buln activo, y su uso es muy limitado. La fuerza de anclaje es muy sensible al dimetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el tiempo tiende a perderse la fuerza de anclaje por relajacin del sistema de expansin.

~ u k - 6 ~ DE REDONDO II\!VLCiAT>O.- (figura 7.19 y tabla 7.10) Es el buln ms utilizado. Se trata simplemente de una barra de acero corrugado, fijada a la roca mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo, aunque ste ltimo es el ms habitual. La fijacin puede ser mediante cartuchos de resina epoxi, cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando lechada de cemento en el taladro. Este ltimo sistema es el que

u BULON INYECTADO

Tuer 1

Resina o mortero Barra de de cemento

Placa de apoyo simple

ofrece mejores resultados, pero es ms lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad se emplean gene- ralmente cartuchos, que ofrecen un comportamiento suficientemente satisfactorio. Si el buln es activo es

redo?zdo inyectado DYWIDAG

CALIDAD DE ACERO 1 080 MPa

necesario inyectar slo el bulbo de anclaje, lo que se consigue por medio de un obturador . S i se emplean cartuchos, solo se requiere la introduccin de stos en el fondo del taladro. El tesado se produce cuando ya ha fra- guado la resina o el cemento, lo que retrasa bastante su colocacin. Algunas veces se inyecta tambin el fuste despus de tensar el buln, con lo que se tiene un com- portamiento hbrido activo- pasivo. BULSF! C;V'i : iJiDA,G.- ( f igura 7.20 y tabla 7.1 1) Dywidag es una marca comercial de anclajes y bulones. En rea- lidad es el mismo buln de redondo, pero hecho con un

acero especial ms resistente en lugar de utilizar las barras corrugadas normales. Es por este motivo, ms caro y menos usado y su uso queda restringido a casos especiales.

BULONES DE INYECCION - ACERO DYWIDAG

Tuerca con apoyo serniesferico Barra de anclaje Inyeccin de mortero de cemento Placa de apoyo

B U L O N DE F I B R A DL v i u ~ 1 0 . - (tabla 7.12) Es idntico al anterior, salvo que se usa una barra de fibra de vidrio en lugar de una barra de acero. Este tipo de buln tiene inters porque resiste a traccin incluso ms que el acero, pero es rompible mecnicamente, po r lo que se usa en zonas que se han de excavar en fases poster iores de

RESISTENCIA A TRACCIN 1.000 MPL~ RESISTENCIA A CORTE 3 15.7 iZ1Pn

MODULO DE ELASTICIDAD 44.000-50.000 MPn

Buln de cdle inyectc~do

8 ~ ~ j i \ ! DC C A B L E C ; . - (figura 7.21 y tabla 7.1 3). El principio de funcionamiento es el mismo de los bulones de redondo, salvo que se utiliza un cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos, debiendo ser in- yectado necesariamente. Es

de utilidad en tneles de glibo escaso en los que es necesario instalar bulones muy largos, ya que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad.

BULN DE CABLES -

\ l E Buln de cable inyeccin de mortero de cemento

7.22 y tabla 7.14) Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND. Est const i tuido por una chapa de forma cilndrica, abierto a lo largo de la directriz. Al introducirlo en un taladro de dimetro inferior al

suyo propio, ejerce una fuerza radial sobre la roca que hace que el buln quede fijado a la misma por rozamiento. Es muy rpido de colocar, pero tiene el inconveniente de que es muy sensible al dimetro del taladro y a la calidad de la roca. En terrenos de mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presin que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de anclaje con el tiempo.

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SPLlT SET

ALZADO \ \ Tubo de acero con

hendidura longitudinal /

Placa de apoyo Split - Set

Buln tipo Swellex

Bulonadora (Co ~tesia

Atlas Copco)

BULON DE ANCLAJE DE FRlCClON - SWELLEX U C L C N Sir i r lLE: : . - (figura 7.23 y tabla 7.1 5) Swellex es una marca comercial de ATLAS- COPCO. Es un buln hueco, que se introduce en el taladro y se expande mediante el bombeo de agua a presin en su inter ior. Al expandirse rellena todo el taladro y

presiona contra las paredes de ste, logrando la fuerza de anclaje por rozamiento. La instalacin es rpida y requiere el uso de una bomba de agua capaz de suministrar la presin necesaria para producir su expansin. Hay en el mercado varios tipos de bulones Swellex: el Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene ms seccin de acero), el Coated Swellex con proteccin anticorrosin y el Yielding Swellex hecho de un acero ms deformable para terrenos expansivos o fluyentes.

-1 c La colocacin de los bulones se lleva a cabo en tres fases: S E ~ L A M - E O . - Se marca en clave y hastiales la posicin de los taladros mediante pintura u otro medio. El bulonado en los tneles generalmente es sistemtico, aplicando la cuadrcula que figura en los planos. No obstante, puede ser conveniente variar la cuadrcula terica para adaptarla a la disposicin concreta de juntas que se observe en las paredes de roca. De este modo se consiguen fijar las posibles cuas que pudieran tormarse.

Para conseguir un buen anclaje, es neces con el dimetro de la barra de anclaje y dimetros no supere los 10 mm.

E J E C U C I G N DE 1-05 TALADROS.- LOS taladros se hacen normalmente con el mismo jumbo que se utiliza para la perforacin de los barrenos para la voladura en el frente. En tneles que no se excaven mediante explosivos, puede resultar ms ventajoso el uso de una bulonadora: que es una mquina muy similar a un jumbo, pero con un solo brazo y de menor tamao. Por lo dems el funcionamiento es el mismo, y ya se trat suficientemente en el captulo 6 de este manual (figura 7.24).

ario que el dimetro del taladro guarde relacin de los cartuchos, de modo que la diferencia de

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

Las cerchas son elementos de acero en forma de arco que tienen una misin resistente de por s y fundamentalmente en unin al hormign proyectado. Se han de colocar en contacto con el terreno a lo largo de toda su longitud y firmemente apoyadas en el suelo Generalmente en secciones grandes cada cercha se divide en tres arcos para facilitar SU colocacin Entre una cercha y la siguiente se deben colocar unas

barras de acero de unin, llamadas tresillones, que permiten que el conjunto de 58 todas las cerchas trabaje solidariamente. En construccin de tneles se usan - normalmente tres tipos de cerchas:

C E ~ C H A S i v - El perfil TH o perfil omega es la seccin empleada para este tipo H de cerchas, muy usadas en minera y construccin de tneles. Las caractersticas - mecnicas de los principales perfiles TH son las que se muestran en la tabla 7 16

y figura 7 25 Se emplean por la facilidad que tienen para solaparse por medio de

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

Grapas de unin para

cedas

inconveniente es que el solape se

unas grapas como las que muestran en la figura 7.26, de forma que la longitud de solape se grada in-situ para que la cercha ajuste bien al terreno y se adapte a las dimensiones de la excavacin, que generalmente son muy variables. C E R C H A S H C B . - Cuando se requieren mayores inercias que las proporcionadas por la cercha TH, se recurre a las cerchas con perfil HEB de tamaos comprendidos entre la HEB-100 y la HEB-180, ya que los perfiles mayores generalmente no pueden ser curvados con los radios habituales en los tneles. En la tabla 7.17 y figura 7.27 se muestran las caractersticas mecnicas de las cerchas HEB. Su

efecta mediante chapa y tornillos con lo que, cualquier variacin en las dimensiones del tnel, dificulta la colocacin de la cercha y, sobre todo, que sta se ajuste a la roca.

s especiales 1

Estabilizacin de la clave

-1 ~ ~ \ ~ T R O D U C ~ ~ O ~ Z . Con el empleo de hormign proyectado, bulones y, ocasionalmente, cerchas se logra el sostenimiento del tnel prcticamente en todas las calidades de roca. No obstante, cuando se atraviesan zonas donde el terreno es de peor calidad (fallas, presencia abundante de agua, roca muy fracturada, roca alterada, etc.), puede no ser suficiente la utilizacin de los elementos anteriores, y es necesario recurrir a mtodos de sostenimiento complementarios ms potentes que son los que se conocen como tratamientos especiales. Los tratamientos especiales se usan de forma puntual, con objeto de atravesar una zona concreta de terreno de mala calidad. Hemos distinguido tres tipos diferenciados segn la parte del tnel que es necesario estabilizar: clave, frente o solera. En otro grupo se situaran los tratamientos de consolidacin del terreno en s. A continuacin se analizan en profundidad cada uno de ellos.

cuando sta es inestable y cede al efectuar el avance. Las principales medidas se han E S T A B I F I Z A C I ~ N DE LA CLAVE

resumido en la figura 7.29. Su aplicacin es la que se describe a continuacin:

Las medidas de estabilizacin de la clave se utilizan

A - ENFILAJE (Forepiling) B - PARAGUAS DE BULONES (Ligero) O TUBOS (Pesado) L= 3-4 m / a 1 10 mm inyectado s----L=9m ' Son -f 50nT-r u n -4-3m-\

3m Cercha

-----A

C - PARAGUAS DE JET-GROUTING

Columna de iet tiwo I Ligero

Pesado

TUBOS BULONES

ENFILAJE O FOREPILING.- Esta medida consiste en disponer unos bulones en la parte alta del frente inclinados unos 40-45" hacia adelante. Con ello se consiguen coser por delante del frente las cuas que puedan producirse en la zona de clave en avances posteriores. Tiene utilidad cuando se atraviesa roca muy fracturada. PARAGUAS.- El paraguas se usa para atravesar una zona de roca muy fracturada o roca muy alterada, que produce desprendimientos en la clave al efectuar el avance. Consiste en la colocacin de elementos lineales paralelos al tnel en toda la corona de ste. Puede tratarse de bulones de redondo de dimetro 32 mm (paraguas ligero) o de tubos huecos inyectados de lechada de dimetro 102-1 50 mm y espesor 3-4 mm (paraguas pesado). El paraguas acta como una viga, por lo que es necesario apoyarlo en sucesivas cerchas conforme se va avanzando bajo l. Cuando la zona a atravesar es amplia, se colocan paraguas sucesivos, con un solape mnimo entre uno y otro de 2 3 metros.

Esta bilizdcin

PARAGUAS O CORONA D E JET GROUTING.- Cuando es necesario atravesar una zona suelta (relleno de falla, roca descompuesta,...), se puede tratar todo el contorno del tnel mediante jet-grouting. Con ello se estabiliza el terreno formando un arco y se puede avanzar bajo l. En terreno rocoso este sistema no funciona adecuadamente porque no se forma el cilindro de terreno inyectado en torno a cada perforacin de jet.

delicado, ya que debe ser necesariamente provisional y no muy potente, ya que de otro modo impedira un sucesivo avance. Los sistemas ms usuales son los mostrados en la

ESTABIL IZACI~N DEL FRENTE

figura 7.30, y se describen a continuacin:

En ciertas ocasiones el frente del tnel es inestable, y se

A - MACHON C - SELLADO DEL FRENTE

producen desprendimientos desde ste hacia el interior del tnel. El tratamiento es muy

B - BULONADO DEL FRENTE D - EXCAVACION A MEDIA SECCION

FASE la

FASE lb r MACHN c ~ i m - R A L . - Consiste en no excavar el frente vertical en su totalidad, dejando en el centro del mismo un contrafuerte o machn que resista los posibles empujes del terreno del frente. Los hastiales y clave deben quedar en su posicin con objeto de poder colocar el sostenimiento. BULONADO D E L FRENTE.- ES un sistema que proporciona una buena estabilidad del frente, tanto en suelos o rocas alteradas como en rocas fracturadas. Consiste sencillamente en coser el frente con un bulonado largo (L=9 m), preferiblemente utilizando bulones de fibra de vidrio, que son fciles de excavar posteriormente, con lo que se mejora la estabilidad general del tnel, al impedirse la relajacin de la roca por delante del avance. SELLADO DEL FRENTE.- Consiste en realizar un gunitado del frente con un espesor de 3-5 cm. Con ello se consigue que el terreno no se altere ni se decomprima. Tambin se evita que las entradas de agua puedan lavar las juntas o arrastrar roca suelta, para lo cual deber realizarse un drenaje del agua en el frente. E X C A V A C I ~ N A MEDIA S E C C I ~ N . - La medida ms eficaz para estabilizar un frente de excavacin es reducir su tamao, pasando a excavar la seccin anterior en dos nuevas fases, dejando un desfase mnimo entre ambas de unos 20 metros. La ejecucin del tnel se complica al existir ms tajos abiertos, lo que exige disponer de ms medios y una mejor organizacin de los trabajos.

Consoliddcin del terreno

inferior, de forma que esta deformacin puede llegar a partir el sostenimiento por flexin. En la figura 7.31 se muestran posibles actuaciones frente a este problema:

E S T A B I L I Z A C I Q N DE LA SOLERA

A - CONTRABOVEDA

Cuando el terreno no es f i rme y las presiones

C - PATA DE ELEFANTE

horizontales sobre el revestimiento son altas, el tnel tiende a cerrarse por la parte

C O N T R A ~ ~ \ ~ E D ~ , . - Un mtodo eficaz es excavar la solera del tnel con forma de arco y no plana, con lo que se facilita la transmisin de las tensiones horizontales del terreno. Si adems se hormigona esta solera curva (contrabveda), se logra cerrar un ani l lo de hormign que tiende a tra- bajar a compresin, evitndose de este modo las flexiones.

E U L O i W D O D E wsr D E H,ASTIAL.- ES un sistema menos eficaz que el anterior. Consiste en coser la base del hastial mediante bulones, usando adems cerchas. Se consigue de este modo resistir las cargas horizontales que desestabilizan el tnel. ?,ATA D E E L E F A N T E . - La "pata de elefante" es una prolongacin recta del sostenimiento tangente al tnel (vase figura 7.31). Se utiliza cuando el terreno de solera es flojo y no puede resistir las cargas verticales que le transmite el hormign proyectado. Con la pata de elefante se logran dos efectos: por un lado se aumenta la superficie de carga, con lo que, a igualdad de fuerza vertical, la tensin se reduce; por otro, se puede excavar la siguiente fase del tnel sin descalzar el sostenimiento de la fase anterior.

calidad, puede recurrirse a tratamientos de consolidacin del terreno. Los ms potentes I C O N S S L ~ D A C I ~ ~ \ ? D E L T E R ~ E N O

son la congelacin, inyecciones sistemticas, etc., pero nicamente son de aplicacin en terrenos de escasa cohesin, por lo que se salen del alcance de este Manual. En tneles en roca se emplean los dos mtodos indicados en la figura 7.32. iN\!ECCIOI\IES L O C A L I Z A D A S . - Se efectan inyecciones de lechada de cemento o de

Cuando la roca que se ha de atravesar es de mala

A - INYECCIONES B - DRENAJES

mortero cuando se detectan huecos dentro del macizo rocoso. Los huecos son per- judiciales porque favorecen la afluencia de agua, concentran las tensiones del macizo rocoso en ciertas zonas y dificultan la colocacin y el trabajo de los bulones. D R E N A J E S . - LOS drenajes permiten eliminar las aguas a presin existentes dentro del

macizo rocoso. El efecto ms perjudicial del agua en el terreno, es el de favorecer los deslizamientos de cuas y bloques actuando en las juntas de la roca y disminuyendo la cohesin del relleno de stas. Tambin se logra gracias a los drenajes concentrar en unos pocos puntos la entrada de agua al tnel, con lo que se facilita enormemente el gunitado y en general todos los trabajos de excavacin y sostenimiento.

(1) lnternational Tunnelling Association (ITA): " Shotcrete for Rock Support. Guidelines and Recomendations - A Compilation " , ITA, 1 993. (2) AFTES - Working Group no 6 - Shotcrete: " Recomendations on Shotcrete Technology and Practice ", AFTES, 1986. (3) F.G. Bell (Editor): " Engineering in Rock Masses", 1992. (4) Sika, lmpormaq SA, Bekaert, Aliva & Schwing: "Jornadas Tcnicas sobre Hormign Proyectado por Va Hmeda " , 1 99 1 . (5) Marc Vandewalle, Bekaert SA: " Dramix. Tunnelling the World", Bekaert SA, 1991. (6) Stillborg B.: " Professional Users Handbook for Rock Bolting " , Trans Tech Publications, 1986. (7) Ministerio de Obras Pblicas y Urbanismo (MOPU): "Pliego de Prescripciones Tcnicas Generales para la Recepcin de Cementos", MOPU, 1988. (8) Ministerio de Obras Pblicas y Urbanismo (MOPU): "EH-91: Instruccin para el proyecto y la ejecucin de obras de hormign en masa o armado", MOPU, 1991. (9) Recomendaciones de la American Concrete lnstitute (ACI), comit 506 - "Gua del Hormign Proyectado" - " Recomendaciones Prcticas del Hormign Proyectado" - "Especificaciones de materiales, dosificacin y aplicacin" (1 0) F. G. Bell: "Engineering Treatment of Soils", Chapman & Hall, 1993