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04/07/2012
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Universidad Nacional de San Agustn Facultad de Ingeniera Civil
TUNELES
Autor:
Ing. Salom G. Chacn Arcaya
Contenido
1. Definicin de tnel
2. Introduccin
3. Utilizacin de los tneles
4. Objetivos de un estudio de tneles
5. Mtodos constructivos de tneles en
suelos
6. Mtodos constructivos de tneles en
rocas
Contenido
7. Mtodos de diseo
8. Refuerzo y Soporte
9. De que depende la eleccin del mtodo
constructivo
10. Investigaciones in situ
11. Desafos en los estudios de tneles
12. Metodologa de los estudios geolgicos
geotcnicos para tneles.
Un tnel es una perforacin en el terreno
aproximadamente horizontal, en la que domina la
longitud sobre las dems dimensiones.
Normalmente es artificial .
1. Definicin de tnel
2. Introduccin
Uso del espacio Subterrneo:
Factores Positivos
Crecimiento de la poblacin urbana (despus 2da.
Guerra Mundial) nfasis en el transporte
Era Ambiental (despus 1960)
Mejor entendimiento del comportamiento de
tneles (aos 70 a 80)
Avances tecnolgicos de equipos (aos 90)
Vivienda Uso
Pblico
Utilidades
Pblicas Transporte
Uso
Industrial
Presas,
Minera y
cavernas
Trabajo
Demanda del uso del
espacio Subterrneo
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Volumen de material
excavado (Impactos
Ambientales)
Costos
Accidentes durante la obra
Accidentes durante la
operacin (fuego)
Dificultades en la toma
de decisin
Costo elevado de los espacios de superficie
Impactos negativos de obras de superficie
Desvalorizacin de las reas prximas las obras superficiales (infraestructura)
Factores Favorables
El aprovechamiento del espacio subterrneo
constituye en la actualidad una de las alternativas
ms idneas para el desarrollo de vas rpidas de
comunicacin, presenta cada vez mayores ventajas,
tanto desde el punto de vista medio ambiental como
funcional (acortamiento de distancias, seguridad,
menor impacto ambiental, etc.).
A pesar de su mayor costo con respecto a otras
soluciones de superficie.
1. Antiguamente
3. Actualmente
2. Moderna
3. Utilizacin de Tneles
1.- Antiguamente: Primeras Actividades humanas
- Tneles naturales
- Drenaje de trabajos de minera
- Suministro de agua y construccin de carreteras
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Desde la antigedad el hombre a construido diversas
cavernas, tneles y galeras para el transporte de
agua, extraccin de minerales, fines religiosos y
militares;
Excavacin: uso de instrumentos manuales, agua y
fuego;
Sostenimiento: construccin en subsuelo competente,
uso de piedras naturales y ladrillos;
Egipto y Mxico (cmaras subterrneas);
La mina ms antigua conocida en los registros
arqueolgicos es Lion Cave (Cueva del Len), 43 000
A.C. en Swazilandia (frica) para la extraccin de
hematita;
Quanats, en Irn (2800 A.C), tneles para conducir
agua de los acuferos de las tierras altas a la superficie
por medio gravitacional; Irrigacin, agua potable;
160km todava funcionales;
Tnel bajo ro Eufrates (2500 A.C.), y otros
tneles;
hidrulicos en Mesopotamia;
Tneles en India y China (templos
religiosos);
Tneles (acueductos) en Jerusaln (700
A.C.);
Tnel (acueductos) en la isla de Samos (600
A.C.);
Tneles para acueductos, catacumbas,
Imperio Romano;
2.- Moderna
A partir del siglo XIV se desarrolla la tecnologa de tneles para
minera (equipos de perforacin);
Uso de tcnicas de voladura (introduccin de la Plvora) a partir
del siglo XVII (Hungria, 1627 y Mina en Harz (Alemania, 1623);
Tneles (Canales) para el paso de embarcaciones, principalmente
en Francia (uso de voladura);
Importante desarrollo en el siglo XIX impulsado por la
construccin de tneles para caminos;
Primero Tnel bajo el Ro Tamisa (Inglaterra) para fines viales.
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Brunel patenta en 1818 la primera
maquina tuneladora (shield);
Forma rectangular 7m x 12m, 12
prticos separados, 3 niveles de
trabajo, excavacin manual, maquina
impulsada por husos;
La construccin tard varios aos (el
avance promedio era de 25cm/da) y
lleg ser interrumpida por 7 aos
debido a los varios accidentes
catastrficos ocurridos;
Shield de Brunel (1818):
Construccin de ferrocarriles en Europa impulsa ms la
construccin de tneles;
Introduccin de voladura con dinamita, 1846
Tcnicas de excavacin, sostenimiento y maquinaria, provenientes
principalmente de la minera.
Beamont
En paralelo, se desarrolla la excavacin
mecanizada:
1847-1851: primer prueba de excavacin mecanizada en la Sardea
(0,25m/da);
1870: primer maquina de excavacin a frente completa en Inglaterra
(1.25m/da);
1881: Cruce del canal de la mancha con maquina tuneladora de
Beamount (25m/da);
Priace
Wohlmeyer
Grande desarrollo despus de la
primera guerra mundial con aumento
de dimetros de excavacin y
consumo de energa (motores
elctricos);
1906: TBM de Price con cabeza de Corte;
1958: TBM de Wohlmeyer con 5
fresas;
1970: maquinas de excavacin
puntual (rozadoras)
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Desarrollo del espacio Subterrneo:
Desarrollo de la tecnologa y condiciones de seguridad;
Mejor comprensin del comportamiento del subsuelo;
Mayores restricciones del uso superficial de la tierra;
Proteccin ambiental (menor impacto en la naturaleza y
calidad de vida);
Razones topogrficas;
Beneficios sociales.
3.- Actualmente: Fines Similares Actualmente: Fines Similares
a) T. Viales
- Carreteras
- Ferrocarriles
- Metros
b) T. Hidrulicos
- Aduccin de agua
- Conductos subterrneos Forzados
- Sanitarios
- Desvo de ros
- Refrigeracin de Centrales Nucleares
c) Cavernas
- Centrales Elctricas Subterrneas
- Estaciones Subterrneas de Tratamiento de Agua
- Refugios y Almacenes Subterrneos
- Cavernas para Detonaciones Subterrneas
- Estaciones de Pasajeros
- Fbricas e Industrias
- Centrales Trmicas
- Para Residuos Nucleares
a) Tneles Viales
Tneles carreteros: Trnsito de peatones o
ciclistas, para vehculos a motor;
Tneles ferroviarios;
Tneles en canal: Unir cuencas hidrogrficas
vecinas, para transportar agua (para consumo,
para centrales hidroelctricas o como cloacas),
por medio de canales, o para atravesar elevaciones
topogrficas importantes;
Tneles submarinos;
La explotacin de minas subterrneas;
Conducir otros servicios como cables de
comunicaciones, tuberas, etc.
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Dentro de la amplia variedad de usos del espacio
subterrneo, gran parte de los tneles se
excavan para infraestructuras del transporte,
basndose su diseo en la seguridad y la
economa.
Los estudios geolgicos-geotcnicos son
absolutamente necesarios para poder proyectar
y construir una obra subterrnea.
Las excavaciones subterrneas estn estrechamente
relacionadas con la energa y los recursos minerales
(aprovechamientos hidroelctricos, centrales,
explotaciones mineras, almacenamientos
subterrneos, etc.).
Pero la mayora de los tneles se construyen
tambin para salvar un obstculo natural y permitir
el acceso a vas de comunicacin para transporte
urbano (metros), transvases y conducciones; o para
unir islas o estrechos y para pasos fluviales, en cuyo
caso el trazado se efecta bajo una lmina de agua.
Condiciones geolgicas, geotcnicas e hidrogeolgicas
del trazado.
Identificacin de puntos singulares o zonas de mayor
complejidad geolgica, hidrogeolgica y geotcnica.
Clasificacin y sectorizacin geomecnica,
propiedades y parmetros de diseo del macizo
rocoso.
Criterios geomecnicos para el clculo de
sostenimientos y mtodos de excavacin.
4. Objetivos de un estudio de tneles
Emplazamiento, excavacin y estabilizacin de
boquillas y accesos intermedios.
Recomendaciones para la excavacin,
sostenimientos y proceso constructivo del tnel.
Tratamientos del terreno para la estabilizacin,
refuerzo, drenaje o impermeabilizacin del
terreno.
2. Objetivos de un estudio de tneles
5. Mtodos constructivos de tneles
en suelos
Cut-and-Cover
Mtodos
Tuneleros
Excavacin Secuencial
(NATN)
Tuneladora (TBM)
Convencional
Sumergido
Cut and cover x tunel VCA CONVENCIONAL / VCA INVERTIDA
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Perfil metlico y planchas de madera VCA INVERTIDA
Cut and cover x sumergido
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Mtodos Tuneleros en Suelo: Desafi Estabilidad de la seccin y abertura
Excavacin Secuencial (NATM)
Excavacin Mecanizada (Tuneladora)
TBM de Face Abierta
TBM de Face Cerrada
TBM de Face Presurizada
Metodos Secuenciales de Avance
mtodo alemn
mtodo italiano
mtodo belga
mtodo ingles
mtodo sueco
mtodo austriaco
Excavacin Mecanizada (Tuneladora)
Baha de
Tokio
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TBM duplo
6. Mtodos constructivos de tneles
en roca
Mtodos
Tuneleros
Excavacin a Fuego
TBM de Seccin Plena
TBM de Seccin Parcial
Excavacin a fuego
TBM rocas
desafi cabezas cortantes Ejm:
tneles
Alpinos
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1.- Analticos
2.- Interaccin Soporte-Terreno
3.- Empricos
7. Mtodos de diseo 1.- Analticos
Usan el anlisis de esfuerzo - deformacin alrededor de
la excavacin. Se basan en Tcnicas Numricas como:
- Mtodo de Elementos Finitos.
- Mtodo de Elementos Discretos.
- Mtodo de Elementos de Borde, etc.
Obtenindose zonas delimitadas de esfuerzos superando
la resistencia de la roca y por tanto requieren refuerzo
PHASE 2
2.- Observacional
Fundamentado en mediciones instrumentales del
comportamiento del tnel, despus de la
excavacin y en el anlisis de la interaccin
soporte terreno; siendo el exponente mas
destacado, el Nuevo Mtodo Austraco de Tneles
(NATM)
NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA (N.A.T.M.)
PRINCIPIO :
La transformacin de la roca circundante al tnel en un
miembro activo del sistema de soporte
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DESFAVORABLE
MUY DESFAVORABLE
Dip: 45 - 90
DESFAVORABLE
Dip: 20 - 45
FAVORABLE
1: LA PARTE MAS IMPORTANTE DE LA ESTRUCTURA DE UN TUNEL ES LA MASA
ROCOSA CIRCUNDANTE.
PRINCIPIOS BASICOS DEL NATM
3.- Empricos
- Mtodo de diseo de excavaciones
- Clculo de los ndices de clasificacin
- Recopilacin de experiencias
- Utilidad de los sistemas existentes
- Creacin de nuevos sistemas de clasificacin ?
- Cundo aplicar estos sistemas ?
- En que casos su aplicacin es discutible ?
Se basan en la experiencia adquirida en obras similares.
Siendo la Clasificacin Geomecnica de macizos rocosos el
enfoque emprico mas ampliamente usado en el mundo para
evaluar la estabilidad de obras subterrneas
Tcnicas usadas en las Clasificaciones
geomecnicas A) Scan Line B)Ventana o Window
Clasificaciones Geomecnicas
RMR, Bieniawski
GSI, Hoek et all
MRMR, Laubsher
Q, Barton et all
RMi, Palstrom
BI, Lilly
Rabcewics-Pacher (1957)
RMR, Bieniawski (1974, 1989)
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8. Refuerzo y Soporte
REFUERZO
(Reinforcement)
SOPORTE
(Support)
ELEMENTOS DE REFUERZO:
SPLIT SETS
SWELLEX
PERNOS CEMENTADOS
PERNOS HELICOIDALES
VENTAJAS:
Aumentan el tamao efectivo de los bloques.
Forman un arco compresivo por encima de la corona.
Suspenden bloques sueltos.
DENTRO DE LA
REFUERZO
REFUERZO REFUERZO
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REFUERZO REFUERZO
REFUERZO REFUERZO
REFUERZO
ELEMENTOS DE SOPORTE:
SHOTCRETE
GATAS A FRICCION
CUADROS DE MADERA
PAQUETES SUDAFRICANOS (WOOD PACKS)
MALLA ELECTROSOLDADA
CIMBRAS OMEGA
CERCHAS DE PERFIL
VENTAJAS:
CONTROLAN DESPRENDIMIENTOS DE LA SUPERFICIE DE LA ROCA.
FORMAN UNA SUPERFICIE MS AMPLIA PARA DISTRIBUIR CARGAS.
FUERA DE LA
SOPORTE
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SOPORTE
Colocacion del Shotcrete con refuerzo de Malla de Alambre SOPORTE SOPORTE
Cimbras
Construidos en galeras y
accesos principales.
En zonas de alta inestabilidad
y/o techos muy elevados.
Son arcos de acero tipo H,
estructuras de alta resistencia
Dimensiones: 6mx4m, 5mx4m,
con espaciados entre 1.0 m y
1.5m, vaciados con concreto.
SOPORTE