Diseño Tunel

7/25/2019 Diseo Tunel

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Actualizacin y Adecuacin de la Factibilidad TcnicoEconmica, Impacto Ambiental y Elaboracin del

Diseo Final del Tramo Monteagudo Ipat

Informe Diseo Final Tnel Incahuasi

NDICE

1. INTRODUCCIN .............................................................................................. 1

1.1. INTRODUCCIN ........................................................................................... 1

1.2. CONTENIDO DEL INFORME ............................................................................ 2

1.3. DOCTRINA DE LA INGENIERIA DE TUNELES: DISEO GEOTCNICO ................... 4

2. LOCALIZACIN DEFINITIVO DEL EJE DEL TNEL ........................................... 7

2.1. RESUMEN .................................................................................................... 7

2.2. INTRODUCCIN .......................................................................................... 10

2.3. TRAZADO HORIZONTAL DE NUEVAS ALTERNATIVAS ........................................ 102.4. EVALUACIN ENTRE ALTERNATIVA D Y ALTERNATIVA A ................................... 20

2.4.1. HIDRULICA ......................................................................................... 20

2.4.2. TOPOGRAFA ........................................................................................ 21

2.4.3. GEOMECNICA ..................................................................................... 23

2.4.4. GEOLOGA ........................................................................................... 27

2.5. REPLANTEO DISEO EJE DEL TNEL INCAHUASI (ALTERNATIVA D).................... 28

2.5.1. ELEMENTOS PARA EL TRAZADO DE LA CLOTOIDE ...................................... 28

2.5.2. ECUACIONES PARA EL TRAZADO DE LA CLOTOIDE..................................... 31

2.5.3. DISEO GEOMTRICO ........................................................................... 31

2.5.4. PARMETROS REPLANTEO CURVA CLOTOIDE ............................................ 35

2.6. SECCIN TRANSVERSAL DEL TUNEL .............................................................. 35

2.7. DETERMINACIN DE LA GEOMETRA TRANSVERSAL DEL TNEL ....................... 36

2.8. CRITERIOS DE DISEO ................................................................................ 37

2.8.1. CATEGORA DEL TNEL. ......................................................................... 37

2.8.2. PLATAFORMA ........................................................................................ 392.8.3. ARCENES Y ACERAS .............................................................................. 41

2.8.4. CONCLUSIN ....................................................................................... 43

2.8.5. ALTURA LIBRE O GLIBO VERTICAL ......................................................... 43

2.9. COSTOS DE CONSTRUCCIN ........................................................................ 45

2.9.1. COSTOS DE LA EXCAVACIN Y EL SOSTENIMIENTO POR METRO DE TNEL ... 45


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2.9.2. INFLUENCIA DE LA TRAMIFICACIN ........................................................ 48

2.10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 49

2.10.1. CONCLUSIONES ................................................................................. 49

2.10.2. RECOMENDACIN .............................................................................. 50

3. GEOLOGA .................................................................................................... 51

3.1. OBJETIVO .................................................................................................. 51

3.2. UBICACIN ................................................................................................ 51

3.3. INFORMACIN RECOPILADA ......................................................................... 51

3.4. PROGNOSIS ............................................................................................... 52

3.5. GEOMETRA ................................................................................................ 53

3.6. FISIOGRAFA .............................................................................................. 533.6.1. GEOMORFOLOGA ................................................................................. 53

3.6.2. HIDROGRAFA ...................................................................................... 54

3.6.3. HIDROLOGA ........................................................................................ 55

3.6.4. OROGRAFA .......................................................................................... 56

3.7. GEOLOGA GENERAL .................................................................................... 56

3.7.1. CICLO CORDILLERANO (SILRICO INF. DEVNICO SUP.) ......................... 57

3.7.2. CICLO SUBANDINO (CARBONFERO INF. TRISICO INF.) ......................... 57

3.7.3. CICLO ANDINO (TRISICO IN. PRESENTE) ............................................ 57

3.8. SNTESIS ESTRUCTURAL .............................................................................. 58

3.9. ESTRATIGRAFA .......................................................................................... 60

3.9.1. SISTEMA DEVNICO .............................................................................. 61

3.9.2. SISTEMA CARBONFERO ......................................................................... 62

3.9.3. SISTEMA CUATERNARIO ......................................................................... 64

3.10. PARMETROS PORTAL ESTE ....................................................................... 67

3.11. CONCLUSIONES ....................................................................................... 684. GEOTECNIA .................................................................................................. 69

4.1. INTRODUCCIN .......................................................................................... 69

4.2. INVESTIGACIONES DE CAMPO ...................................................................... 69

4.2.1. PERFORACIN DE POZOS DE INVESTIGACIN .......................................... 70

4.2.2. TOMOGRAFA GEOELCTRICA ................................................................. 73


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4.2.3. ESTACIONES GEOMECNICAS ................................................................. 75

4.3. DISCONTINUIDADES ................................................................................... 80

4.3.1. PROYECCIONES ESTEREOGRFICAS ........................................................ 81

4.4. MACIZO ROCOSO ........................................................................................ 83

4.4.1. DETERMINACIN DEL RQD A PARTIR DE LOS ESPACIAMIENTOS .................. 83

4.4.2. CLASIFICACIN GEOMECNICA .............................................................. 84

4.5. TRAMOS GEOMECNICOS ............................................................................. 89

5. SELECCIN DE LAS MEDIDAS DE SOSTENIMIENTO ...................................... 91

5.1. CATEGORAS DE COMPORTAMIENTO .............................................................. 91

5.1.1. GENERALIDADES .................................................................................. 91

5.1.2. METODOLOGA ..................................................................................... 935.1.3. DETERMINACIN DE LAS CATEGORAS DE COMPORTAMIENTO TNELINCAHUASI ....................................................................................................... 93

5.2. MEDIDAS DE SOSTENIMIENTO ...................................................................... 96

5.2.1. GENERALIDADES .................................................................................. 96

5.3. VERIFICACIN DEL SOSTENIMIENTO PROPUESTO ........................................... 99

5.4. ANLISIS DE ESTABILIDAD DE CUAS ......................................................... 101

5.4.1. CRITERIO DE ROTURA DE BARTON Y CHOUBEY ....................................... 102

5.4.2. DESCRIPCIN DE LAS DISCONTINUIDADES ............................................ 103

5.5. MODELO MATEMTICO DE CUAS ............................................................... 103

6. EMBOQUILLES Y EXCAVACIONES SUPERFICIALES ...................................... 107

6.1. INTRODUCCIN. ....................................................................................... 107

6.2. GEOLOGA ............................................................................................... 107

6.3. GEOTECNIA .............................................................................................. 108

6.3.1. DESCRIPCIONES DE LA ROCA ............................................................... 108

6.3.1.1. EMBOQUILLE ORIENTAL. ................................................................... 1096.3.1.2. EMBOQUILLE OCCIDENTAL. ............................................................... 111

6.3.2. CLASIFICACIN DEL MACIZO ROCOSO ................................................... 113

6.3.2.1. BIENIAWSKI (1976) ......................................................................... 113

6.3.2.2. BARTON (1974) ............................................................................... 113

6.3.2.3. ESTIMACIN DEL NDICE GEOLGICO DE RESISTENCIA (GSI) ............... 117


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6.4. ESTIMACIN DE LOS PARMETROS GEOMECNICOS DE RESISTENCIA ............. 119

6.4.1. ESTIMACIN DE DATOS SEGN HOEK & BRAY ........................................ 119

6.4.2. ANLISIS INVERSO ............................................................................. 122

6.4.3. CRITERIO DE ROTURA HOEK & BROWN .................................................. 124

6.4.3.1. EMBOQUILLE ORIENTAL. ................................................................... 125

6.4.3.2. EMBOQUILLE OCCIDENTAL. ............................................................... 126

6.4.4. ANLISIS DE RESULTADOS, RANGO DE VALORES .................................... 126

6.4.4.1. EMBOQUILLE ORIENTAL. ................................................................... 127

6.4.4.2. EMBOQUILLE OCCIDENTAL ................................................................ 129

6.4.5. HIDROGEOLOGA ................................................................................ 131

6.5. DISEO DE LOS CORTES ............................................................................ 1336.5.1. DEFINICIN DE LOS COEFICIENTES DE SEGURIDAD ................................ 133

6.5.2. RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA UBICACIN DE LOS PORTALES .. 133

6.5.3. DISEO SEMIEMPRICO DE WEST VIRGINIA USA ..................................... 133

6.5.4. OTROS CRITERIOS UTILIZADOS ............................................................ 135

6.5.4.1. CRITERIO DE KURT JOHN DOUGLAS ................................................... 135

6.5.4.2. CRITERIO DE DOUGLAS (2002) .......................................................... 136

6.5.5. SELECCIN PREELIMINAR DEL CORTE: NGULO DE EXCAVACIONES Y BERMAS

138

6.5.6. ANLISIS DE ESTABILIDAD .................................................................. 139

6.5.6.1. VERIFICACIN COEFICIENTES DE SEGURIDAD EMBOQUILLE OCCIDENTAL 145

6.5.6.2. VERIFICACIN COEFICIENTES DE SEGURIDAD EMBOQUILLE ORIENTAL 147

6.6. SOSTENIMIENTO ....................................................................................... 149

6.6.1. DISEO EMPRICO ROMANA (2005) ....................................................... 149

6.6.2. METODOLOGA PROPUESTA POR CALTRANS. ........................................... 152

6.6.3. VERIFICACIN DEL FACTOR DE SEGURIDAD CON EL PROGRAMA SNAIL ..... 157

6.6.4. VERIFICACIN DE DEFORMACIONES CON EL PROGRAMA PLAXIS ............... 159

6.7. DISEO ARQUITECTNICO PORTALES TNEL INCAHUASI ............................... 161

6.7.1. CONCEPCIN DEL DISEO ARQUITECTNICO ......................................... 161

6.8. DISEO Y CLCULO ESTRUCTURAL DE TNELES FALSOS ................................ 164


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6.8.1. INTRODUCCIN .................................................................................. 164

6.8.2. OBJETIVOS......................................................................................... 164

6.8.2.1. OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................. 164

6.8.3. METODOLOGA ................................................................................... 164

6.8.3.1. TIPOLOGA DE CSCARAS ................................................................. 165

6.8.3.2. DEFINICIN DE LA GEOMETRA DEL TNEL FALSO ............................... 166

6.8.3.3. DETERMINACIN DE CARGAS ............................................................ 167

6.8.3.3.1. CARGAS MUERTAS O PERMANENTES (D) .......................................... 167

6.8.3.3.2. EMPUJE LATERAL DE TIERRAS (H) ................................................... 168

6.8.3.3.3. CARGA VIVA POR IMPACTO DE BLOQUES DE ROCA (I) ....................... 169

6.8.3.3.3.1. DETERMINACIN DE LA FUERZA DE IMPACTO .................................. 1716.8.3.3.3.1.1. CRITERIO DE PICHLER (2004) ..................................................... 171

6.8.3.3.3.1.2. FORMULA DEL HANDBOOK OF PROTECTIONS AGAINST ROCK FALLSDEL JAPN. 172

6.8.3.3.3.1.3. CRITERIO DE MONTANI (1998) .................................................... 173

6.8.3.3.4. COMBINACIONES DE CARGA ........................................................... 174

6.8.3.4. ANLISIS ESTRUCTURAL ................................................................... 175

6.8.3.4.1. MTODOS Y CRITERIOS DE ANLISIS .............................................. 175

6.8.3.4.2. SIMULACIN NUMRICA ................................................................ 175

6.8.3.4.3. RESULTADOS DE LA SIMULACIN ................................................... 177

6.8.3.5. VERIFICACIN DE ESFUERZOS, DISEO Y ARMADO SEGN NORMA ACI 318EDICIN 2008 ................................................................................................. 182

6.8.3.5.1. DIMENSIONADO Y ARMADO DE CSCARAS (NORMA A.C.I.) ................ 182

6.8.3.5.2. DIMENSIONADO Y ARMADO DE MUROS LATERALES (NORMA A.C.I.)..... 184

6.8.3.5.2.1. REVISIN DE FALLA POR CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO ............. 184

6.8.3.5.2.2. DISEO Y ARMADO DE LOS MUROS LATERALES ............................... 187

6.8.3.5.3. DIMENSIONADO Y ARMADO DE LA ESTRUCTURA ARQUITECTNICA DEENTRADA AL TNEL FALSO ............................................................................... 188

6.8.4. CONCLUSIONES .................................................................................. 189

6.8.5. REFERENCIAS ..................................................................................... 190

6.9. DISEO ARQUITECTNICO DE PORTALES TNEL INCAHUASI .......................... 191


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6.9.1. CONCEPCIN DEL DISEO ARQUITECTNICO ......................................... 191

6.10. DISEO Y CLCULO ESTRUCTURAL DE TNELES FALSOS ............................. 193

6.10.1. INTRODUCCIN ............................................................................... 193

6.10.2. OBJETIVOS...................................................................................... 194

6.10.3. METODOLOGA ................................................................................ 194

6.10.4. CONCLUSIONES ............................................................................... 224

6.10.5. REFERENCIAS .................................................................................. 225

7. SISTEMAS DE DRENAJE .............................................................................. 227

7.1. INTRODUCCIN ........................................................................................ 227

7.2. SISTEMA DE DRENAJE SUPERFICIAL ............................................................ 227

7.3. SISTEMA DE CAPTACIN DE LAS AGUAS SUBTERRNEAS ............................... 2287.3.1. CONDUCTIVIDAD HIDRULICA .............................................................. 229

7.3.2. HIDROLGICA DE LA REGIN ............................................................... 230

7.3.3. ESTIMACIN DEL CAUDAL DEL SUBSUELO EN TNELES ........................... 232

8. PLATAFORMA .............................................................................................. 235

8.1. RESUMEN ................................................................................................. 235

8.2. INTRODUCCIN ........................................................................................ 235

8.3. DISEO MTODO AASHTO .......................................................................... 235

8.3.1. VARIABLES DE DISEO DE PAVIMENTO (AASHTO) ................................... 235

8.3.1.1. PERIODO DE ANALISIS ..................................................................... 235

8.3.1.2. CONFIABILIDAD O NIVEL DE CONFIANZA ............................................ 235

8.3.1.3. DESVIACIN ESTNDAR Y FACTOR DE DESVIACIN NORMAL ................ 236

8.3.1.4. NDICE DE SERVICIABILIDAD ............................................................ 236

8.3.1.5. ANLISIS DE TRFICO ...................................................................... 236

8.3.1.6. MODULO DE REACCIN DE LA SUBRASANTE ........................................ 237

8.3.1.7. PRDIDA DE SOPORTE LS ............................................................... 2398.3.1.8. CARACTERIZACIN DEL HORMIGN UTILIZADO EN EL PAVIMENTO ........ 240

8.3.1.9. DRENAJE ......................................................................................... 241

8.3.1.10. TRANSFERENCIA DE CARGAS .......................................................... 241

8.3.1.11. ESPACIAMIENTO ENTRE JUNTAS ..................................................... 242

8.3.1.12. NOMOGRAMAS PARA CLCULO DE PAVIMENTO (AASHTO) .................. 242


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8.4. REFERENCIAS BILIOGRAFICAS .................................................................... 245

9. AUSCULTACIN .......................................................................................... 246

9.1. Introduccin ............................................................................................. 246

9.2. Secciones de control .................................................................................. 246

9.2.1. Seccin para la medicin de convergencias (SC) ...................................... 246

9.2.2. Secciones de convergencia y desplazamiento profundos ............................ 247

9.2.3. Seccin completa ................................................................................ 247

10. DISEO DE SISTEMA DE ILUMINACIN E INSTALACIONES ELCTRICAS .... 248

10.1. INTRODUCCIN ..................................................................................... 248

10.2. NORMAS UTILIZADAS ............................................................................. 248

10.3. OBJETIVOS Y ALCANCES DEL PROYECTO ................................................... 24810.4. DESCRIPCIN DEL PROYECTO .................................................................. 248

10.5. CRITERIOS DE DISEO ........................................................................... 249

10.5.1. DUCTOS.......................................................................................... 249

10.5.2. CONDUCTORES ................................................................................ 250

10.5.3. PROTECCIN ................................................................................... 250

10.5.4. TABLEROS DE DISTRIBUCIN ............................................................ 250

10.6. SISTEMA DE SUMINISTRO DE ENERGA ELCTRICA .................................... 251

10.7. SISTEMA DE ILUMINACIN ...................................................................... 252

10.7.1. ZONAS DE ALUMBRADO EN LOS TNELES ........................................... 252

10.7.2. CIRCUITOS DE ILUMINACIN ............................................................ 253

10.7.3. CIRCUITOS DE VENTILACIN ............................................................. 254

10.7.4. CIRCUITOS DE ILUMINACIN AUXILIAR DE EMERGENCIA ...................... 254

10.8. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ................................................................ 255

10.9. CLCULOS ELCTRICOS .......................................................................... 255

10.9.1. CMPUTOS LUMINOTCNICOS ........................................................... 25510.9.2. CADAS DE TENSIN ........................................................................ 257

10.9.3. RESULTADOS ................................................................................... 258

11. DISEO DE SISTEMA DE VENTILACIN ...................................................... 259

11.1. INTRODUCCIN ..................................................................................... 259



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11.3. OBJETIVOS Y ALCANCES DEL PROYECTO ................................................... 259

11.4. DESCRIPCIN DEL PROYECTO .................................................................. 259


11.5.1. CARACTERSTICAS GEOMTRICAS DEL TNEL ..................................... 260

11.5.2. CAUDAL DE AIRE .............................................................................. 260

11.5.3. EMPUJE NECESARIO ......................................................................... 261

11.5.4. SISTEMA DE VENTILACIN ................................................................ 263

11.6. CLCULOS REALIZADOS ......................................................................... 263

11.6.1. CAUDAL DE AIRE .............................................................................. 263

11.6.2. EMPUJE NECESARIO ......................................................................... 265

11.6.3. SISTEMA DE VENTILACIN ................................................................ 26811.6.4. RESULTADOS ................................................................................... 269

12. SISTEMAS DE SEGURIDAD .......................................................................... 270

12.1. INTRODUCCIN ..................................................................................... 270


12.3. OBJETIVOS Y ALCANCES DEL PROYECTO ................................................... 270

12.4. DESCRIPCIN DEL PROYECTO .................................................................. 270


12.5.1. DETECCIN DE INCENDIOS ............................................................... 271

12.5.2. SISTEMA DE VIGILANCIA .................................................................. 272

12.5.3. SISTEMA DE COMUNICACIN ............................................................ 274

13. SEALIZACIN ........................................................................................... 276

13.1. RESUMEN .............................................................................................. 276

13.2. INTRODUCCIN ..................................................................................... 276

13.3. TIPOS DE SEALIZACIN ........................................................................ 276

13.3.1. SEALES VERTICALES. ..................................................................... 27613.4. SEALES VERTICALES A SER UTILIZADAS EN EL TNEL INCAHUASI ............. 279

13.5. SEALES HORIZONTALES A SER UTILIZADAS EN EL TNEL INCAHUASI ......... 281

13.6. CONCLUSIONES ..................................................................................... 282


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Informe Diseo Final Tnel Incahuasi Pgina 1

1. INTRODUCCIN

1.1. INTRODUCCIN

Uno de los accesos carreteros importantes de la ciudad de Sucre esta formado por la

carretera N 6 que saliendo de Sucre pasa Padilla y Monteagudo para empalmar en Ipaticon la carretera principal Santa Cruz Villamontes Yacuiba, en la frontera con la RepublicaArgentina. Esta carretera interconecta valles y poblaciones ubicados en la cordillera orientaly la denominada faja subandina en varias provincias del departamento de Chuquisaca,donde han tenido lugar varios eventos orognicos que otorgan al rea una topografaaccidentada. En el rea del tramo Monteagudo Ipati las serranas tienen un rumbo generalNorte Sur con elevaciones de mas de mil metros respecto a los valles, dominadas pordiferentes litologas. La carretera existente entre Monteagudo e Ipati , con 97,60 km delongitud tiene que salvar estos desniveles con trazos serpenteantes de curvas y contra-curvas como es el caso de la carretera en el flanco oriental de la serrana Incahuasi, otramos largos y sinuosos en el flanco occidental (figura 1.1). Esta morfologa, sumada a lascondiciones geolgicas, impone severas restricciones a las dimensiones de la carretera,especialmente en la disposicin en planta con radios mnimos y ancho de la plataformareducidos. La consecuencia final es una carretera con condiciones mnimas de seguridad.

El estudio de alternativas del trazo para esta carretera considera un tnel para salvar laserrana de Incahuasi. En este informe se presenta los estudios realizados, diseospropuestos, conclusiones y recomendaciones para la consideracin de un tnel en el trazo dela carretera Monteagudo Ipati.


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FIGURA 1.1. Ubicacin tnel Incahuasi

1.2. CONTENIDO DEL INFORME

Para la elaboracin de los modelos geolgico y geomecnico del volumen del macizo rocosoque ser atravesado por el tnel se ha considerado la informacin disponible en estudios einformes de YPFB, Sergeotecmin, estudio de diseo final de la carretera elaborado aprincipios de los aos noventa por la empresa Sondotecnia, estudios conducidos en la etapade la revisin de la factibilidad por el Consorcio PROINTEC-CPM-CITER, y una ampliacampaa de campo para recolectar informacin litolgica y estructural a travs del mapeodetallado de los afloramientos, estudios geofsicos y perforaciones a diamantina, y todo estoacompaado por ensayos en laboratorio para identificar y cuantificar algunas propiedadesbsicas de las rocas. Sin duda, se debe remarcar la ventaja de haber tenido a disposicin el

resultado de la perforacin de un pozo profundo de exploracin realizado por YPFB en ao1.963. Este pozo con ms de 2.200 m de profundidad ha permitido tener un entendimientoacertado de la secuencia estratigrfica en la serrana de Incahuasi, con indicaciones clarasde la falla regional principal con rumbo general norte sur.

La informacin recolectada ha sido procesada segn los principios y doctrina de la geotecniamoderna resumida en guas y recomendaciones, validadas por la experiencia en laplanificacin y construccin de obras subterrneas alrededor del mundo.


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En el captulo 2 de este volumen se presenta un resumen de las investigaciones y anlisisrealizados para optimizar el trazo horizontal del tnel incluyendo la ubicacin de losemboquilles buscando una seguridad global adecuada y optimizacin de las cantidades deobra.

El tercer captulo es dedicado a los aspectos geolgicos del rea del proyecto. La ubicacindel trazo del camino en la denominada faja subandina ha exigido un estudio detallado decada una de las singularidades, en especial la secuencia estratigrafa y la geologaestructural, En el rea del proyecto estn presentes rocas paleozoicas, mesozoicas yterciarias cada una de ellas con caractersticas particulares. Los grandes eventos orognicosque han tenido lugar, en especial, durante el denominado ciclo andino, han marcadoclaramente la morfologa de la zona con valles anchos separados por serranas ajustadas deflancos con grandes pendientes debido a los grandes esfuerzos de compresin en direccinnorte sur. Todo esto ha resultado en plegamientos de varios tipos y fallas inversas,normales y de desgarre que han colocado rocas paleozoicas sobre rocas del terciario. La

falla de Incahuasi (rumbo general Norte sur) tendra un rechazo de 900 m a decir del Ing.Jorge Mariaca, responsable de la perforacin del pozo Aquio I el ao 1.993. En estecontexto hemos encontrado estructuras denominadas flysch que generan condicionesespeciales a ser tomadas en cuenta durante la modelacin del comportamiento del macizorocoso.

Una vez definido el modelo geolgico se continua en el capitulo cuarto con la formulacindel modelo geotcnico que incluye la caracterizacin del macizo rocoso en las estacionesgeomecnicas segn los diferentes procedimientos propuestos y validados durante mas detreinta aos en el mundo entero. Finalmente, el resultado de esta caracterizacin y laestimacin de los parmetros geomecnicos son inferidos a nivel del tnel para obtener la

tramificacion del macizo rocoso a lo largo del eje longitudinal del tnel.En el capitulo quinto se presenta los resultados de los estudios que conducen a ladeterminacin de las categoras de comportamiento, donde son considerados los parmetrosgeomecnicos, la geometra del tnel y la ubicacin de la seccin estudiada. Este anlisis esejecutado aplicando la solucin analtica para el caso de una deformacin planabidimensional y un estado de esfuerzos primarios hidrosttico. Esta categorizacin estabasada en los resultados de las investigaciones y Hoek, Russo, etc donde la deformacinradial en el frente de excavacin y en una seccin transversal, el alcance de la zona fallada(plastificada) y la magnitud de los esfuerzos inducidos por la excavacin son los criteriosfundamentales.

Seguidamente se trata la eleccin de las medidas de sostenimiento en tipo y cuantidad. Paralograr este objetivo se parte de las recomendaciones de Romana y Hoek (dimensionamientoemprico) y se verifica la seguridad con el mtodo de las curvas caractersticas segn laAsociacin Francesa de Construccin de Tneles. En esta fase del diseo geotcnico deltnel se debe tomar en cuanta las condiciones o exigencias del denominado Nuevo MtodoAustriaco para la Construccin de Tneles (NATM), tal como se describe lneas abajo.


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En el capitulo 6 se presenta el diseo de los emboquilles con el anlisis de los mecanismosposibles de falla y la estimacin de la seguridad de estas excavaciones superficiales.

El capitulo 7 esta consagrado a las consideraciones necesarias para el buen funcionamientode los sistemas de drenaje, mientras que en el capitulo 8 se presenta las consideraciones yanlisis realizados para el diseo de la plataforma.

Las cantidades de obra estimadas desde los diseos y soluciones adoptadas son combinadascon los precios unitarios, estimados sobre la base de la simulacin de la construccin deltnel proporcionan el presupuesto de la obra y la duracin de la construccin, los cualesforman parte del capitulo 12.

1.3. DOCTRINA DE LA INGENIERIA DE TUNELES: DISEO GEOTCNICO

Por la importancia del tema se transcribe a continuacin algunas consideracionesfundamentales de la doctrina de la ingeniera de tneles, ya presentadas por el grupo detrabajo en otro informe sobre el mismo tema.

Las fases de diseo y construccin de una obra subterrnea estn caracterizados por uncierto grado de incertidumbre, particularmente respecto a:

la variacin espacial del macizo rocoso y de sus propiedades geomecnicas el estado de esfuerzos geoestatico (inicial) el comportamiento del macizo rocoso el nivel o grado de conocimiento la geometra real de la excavacin la secuencia de construccin

Un determinado grado de incertidumbre que corresponde a un cierto nivel de riesgo no escompletamente evitable, independientemente de la experiencia, tiempo y costos incurridos y

el nivel de conocimiento de los parmetros geolgicos- geotcnicos que son los principalesfuente de riesgo en proyectos.

Un tnel nunca puede ser considerado como un evento predeterminado; se requiere unmanejo eficiente del riesgo y una aproximacin flexible en las fases de diseo yconstruccin.

Actualmente se tiene una consciencia clara de que un tnel no puede ser realizado sinriesgos, sin embargo, el riego puede ser gestionado, minimizado, compartido, transferido, osimplemente aceptado pero nunca ignorado.

Los riesgos que constituyen el marco general para la gestin de un tnel son clasificados encuatro grupos:

1. Riesgos geolgicos, relacionado con el grado de conocimiento obtenido a travs de lainvestigacin de campo, laboratorio y gabinete.

2. Riesgos de diseo especialmente aquellos referidos a la dificultad de adaptar eldiseo a las condiciones geomecnicas encontradas durante la excavacin,construccin deficiente, experiencia del proyectista, limitaciones contractuales.


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3. Riesgos de construccin relacionados con una seleccin inapropiada o insuficiente delmtodo de construccin, ocurrencia de inestabilidad, experiencia del contratista ylimitaciones contractuales.

4. Riesgos financieros conectados con las limitaciones polticas y sociales, deficientedefinicin de responsabilidades.

Para delinear la corriente de pensamiento y anlisis de la construccin de un tnel se partede la idealizacin vigente del comportamiento del binomio macizo rocoso sostenimiento Yde las observaciones y estudios del Prof. L. von Rabcewicz y los miembros de la escuela deSalzburgo Austria

Para garantizar la estabilidad de la excavacin durante y despus de la construccin esnecesario introducir en la ejecucin una secuencia de colocacin de las medidas desostenimiento compatible con el macizo rocoso, y tener la posibilidad y los medios fsicospara adecuar el tipo y cantidad de sostenimiento y secuencia compatible con el

comportamiento real encontrado durante la excavacin para lograr el estado de distribucinde esfuerzos que permita la formacin un arco de autosostenimiento alrededor del tnel.Estas condiciones son cumplidas siguiendo la filosofa plasmada en el Nuevo MtodoAustriaco de Construccin de Tneles (NATM), cuyos principios principales son:

1. Un tnel es una estructura compuesta con los elementos bsicos Roca y Medidas deSostenimiento.

2. Mantener un estado de esfuerzos tridimensional alrededor del tnel, compatible conla resistencia intrnseca del macizo rocoso evitando el aflojamiento del mismo.

3. Determinacin de los parmetros geomecnicos del macizo rocoso por medio de

ensayos en laboratorio y ensayos in situ, su variacin espacial y dependenciatemporal o reolgica.

4. Eleccin de la seccin transversal considerndose el estado de esfuerzos primario,parmetros geomecnicos de resistencia y patrn de discontinuidades.

5. Contracto directo entre el sostenimiento y la roca

6. Esbeltez y flexibilidad del sostenimiento en los limites requeridos

7. Ajuste y modificaciones en el procedimiento de construccin a las condicionescambiantes del macizo rocoso, tiempo de auto-sostenimiento y estabilidad del frentede trabajo a travs de la eleccin adecuada de la secuencia y avance de excavacin.

8. Excavacin cuidadosa sin perturbar el macizo rocoso

9. Instalacin de las medidas de sostenimiento sin retraso alguno y en la secuenciacorrecta.

10.Cierre del anillo de sostenimiento y distancia desde el frente de trabajo dependiendodel comportamiento reolgico del macizo rocoso y en funcin de la resistencia delsostenimiento.


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11.Control y observacin (monitoreo) permanente del macizo rocoso y las medidas desostenimiento por medio de mediciones, las cuales son parte fundamental del mtodopara el control de la seguridad del tnel y del diseo preliminar. Con estasmediciones se concluye con el diseo de las medidas de sostenimiento y se optimiza

los procedimientos de construccin. Adems, estas mediciones apoyan a laverificacin de las hiptesis realizadas durante la fase de planificacin y permiten unainterpretacin correcta de los fenmenos observados.

La estricta observancia de estos principios conducirn a la conclusin exitosa de laconstruccin de un tnel y garantizar la estabilidad de la misma durante la vida til de laobra.


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2. LOCALIZACIN DEFINITIVO DEL EJE DEL TNEL

2.1. RESUMEN

La ubicacin del eje del Tramo Carretero Monteagudo Ipati en las progresivas donde esta

localizado el tnel Incahuasi pas por un anlisis exhaustivo para definir el mejor trazo y lamejor ubicacin de los emboquilles del Tnel Incahuasi. Se realizaron ajustes a la geometraen planta y elevacin. El trazo del estudio de factibilidad o Alternativa A modificarasignificativamente cursos de agua naturales en el sector occidental, mientras que en elsector oriental se tendran cortes muy grandes o un tramo prolongado del tnel concobertura baja, vase Figura 2.1.

El ajuste dio como resultado el trazo denominado Alternativa D que salva los problemasmencionados anteriormente, es decir, el trazo se ajusta de forma adecuada a las condicionestopogrficas, geolgicas e hidrulicas.

Este ajuste aporta excavaciones menores en los emboquilles Monteagudo e Ipati, vase

Figura 2.2.

Figura 2.1a. Planta alternativa A


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Portal Monteagudo

Portal Ipati

Figura 2.1b. Excavacin en los portales alternativa A. Vista Isomtrica


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Figura 2.2a. Planta alternativa D

Portal Monteagudo


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Portal Ipati

Figura 2.2b. Excavacin en los portales alternativa D. Vista Isomtrica

2.2. INTRODUCCINCon una nueva geometra horizontal se eliminan los problemas hidrulicos, y se logranexcavaciones con mayor seguridad general. El estudio de alternativas se ha desarrolladoconsiderndose las condiciones topogrficas, geotcnicas e hidrulicas de los sitios deemplazamiento de los emboquilles y del macizo que ser atravesado por el tnel.

2.3. TRAZADO HORIZONTAL DE NUEVAS ALTERNATIVAS

Las nuevas alternativas para la definicin del eje del tnel fueron realizadas cumpliendo conlas normas y manuales de diseo geomtrico, habindose realizando el trazado de cuatroalternativas (alternativa B, alternativa C, alternativa D y alternativa E), de estas alternativasse seleccionara solo una. Esta seleccin consiste en verificar la mejor longitud de tnel y lamnima excavacin para los emboquilles de la alternativa respectiva, para queposteriormente se realice una evaluacin hidrulica, topogrfica, geolgica y geomecnica.

En el trazado horizontal o en planta del Tnel se busco mejorar las condiciones generales dela obra, reduciendo la longitud del tnel, ubicando los emboquilles en un macizo rocoso conmejores condiciones geomecnicas y geomtricas, y cruzando los cursos de agua(quebradas) de manera que las obras hidrulicas no sean muy costosas.


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Para realizar los trazados de las nuevas alternativas se tomo como parmetros principales: El trazado horizontal de las diferentes alternativas se realizo con el cuidado de cruzar

la quebrada (cerca del portal Monteagudo), verificando que este sea lo mas ortogonalposible, para que no existan grandes obras hidrulicas.

La longitud del trazado de la alternativa A, puede ser mejorada ya que se puede entrara los portales (Monteagudo-Ipati), de forma mas directa y de esta manera la longituddel Tnel como se muestra en la Figura 2.3, Tabla 2.1.

Alternativa A

Alternativa B

Alternativa C


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Alternativa D

Alternativa EFigura 2.3. Longitudes de las diferentes alternativas del tnel.

Tabla 2.1 Longitudes de las diferentes alternativas del Tnel Incahuasi

ALTERNATIVAS LONGITUDES(M)

A 1260B 1245C 1245D 1229E 1295

La longitud de la alternativa D es la mas corta de las cinco alternativas.Como criterio bsico de diseo es recomendable ubicar los emboquilles fuera de cualquierdepresin o valle y siempre en coincidencia con el divorcio aquarum entre quebradas, esdecir, en las cresta, ya que estos lugares estn caracterizados normalmente por tener unmenor grado de alteracin y fracturamiento del macizo rocoso. Desde un punto de vistatopogrfico es recomendable ubicar los emboquilles en vertientes con una pendiente alta,para no tener cortes excesivos al materializar el ingreso al tnel. Tambin, se debe evaluar


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los cortes transversales buscando cierta simetra para tneles que pasan de una cuenca. Eneste caso la aproximacin del trazo debe ser ortogonal a la vertiente o talud natural. Elresultado de este anlisis es mostrado en la figura 2.4 y 2.5Figura

Alternativa B

Alternativa C


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Alternativa B

Alternativa C


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Alternativa D

Alternativa E

Figura Figura2.5. Cortes portal Ipati de las diferentes alternativas

Las alternativa D y E serian las recomendadas.Para definir el mejor trazado del tnel se debe realizar un estudio geomecnico,especialmente en el tema de proyecciones estereogrficas, este podr otorgarnos distintospuntos de vista para poder evaluar la nueva direccin que tomara el nuevo eje del tnel encombinacin con las discontinuidades existentes en el macizo rocoso. Las proyeccionesestereogrficas nos sirven para poder distinguir los posibles mecanismos de falla que sepueden dar en la excavacin de un talud- Por tanto, es importante dar una buena direccin


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al eje del tnel, en rumbo de los cortes dependen del rumbo del tnel). En la Figura 2.6 semuestran los mecanismos de falla posibles con la ayuda de las proyecciones estereogrficasen la excavacin (Falla plana, cua o por volteo).

Figura Figura2.6. Ejemplo de proyeccin estereogrfica y representacin de posibilidad de fallas

En la figura 2.7 y 2.8 mostramos las proyecciones estereogrficas de los portales y laposibilidad de inestabilidad que se da, en los portales Monteagudo y portal Ipati, de laalternativa A.

Talud Frontal


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Talud Norte

Talud sud


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Figura2.7. Tipos de posibles fallas existentes en la alternativa A, Portal Monteagudo, Estacin representativa (TI-13)

Talud Frente

Talud Norte


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Talud sud

Figura 2.8. Tipos de posibles fallas existentes en la alternativa A, Portal Ipati, Estacin Representativa (TI-52a)

En la alternativa A, existe fallas planas y cuas vase Figura 2.7 y 2.8, en los portales delTnel Incahuasi, por lo tanto se buscara mejorar las combinaciones de las discontinuidadescon la direccin del Tnel Incahuasi.

Como primera fase para la eleccin del eje del tnel, se ha evaluado geomtricamente cadauna de las alternativas nuevas, es decir que de todas las alternativas nuevas se evaluara lalongitud del tnel y simetra de los taludes que se refleja en la cantidad de excavacin. Porlo tanto, con las alternativas estudiadas anteriormente, elegimos la alternativa D, como lamejor alternativa.

En el siguiente subcapitulo se presenta la comparacin entre la alternativa elegida D y laalternativa A (alternativa original).

2.4. EVALUACIN ENTRE ALTERNATIVA D Y ALTERNATIVA A

2.4.1.HIDRULICA

Con los diferentes trazos alternativos del eje de la carretera, los problemas hidrulicospueden ser incrementados o mas al contrario puede ser reducido y de esta manera disminuircostos en las obras hidrulicas, estos problemas son mayores cuando el esviaje esdemasiado alto. El esviaje en la Alternativa D (Figura 2.4), en el portal Monteagudo fueoptimizado, comparada con la Alternativa A (Figura 2.5).


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Figura 2.9. Quebrada cercada al Portal Monteagudo (Alternativa D)

Figura 2.10. Quebrada cercada al Portal Monteagudo (Alternativa A)

Entre las alternativas discutidas en el tema hidrulico, la alternativa D es la que tiene menoresviaje con la quebrada, siendo mas favorable.

2.4.2.TOPOGRAFA

Se encontraron diferentes alternativas para replantear el portal Monteagudo, en la cual seencontr serios problemas de excavacin. En la alternativa A, se puede observar que laexcavacin en los taludes laterales es totalmente asimtrica y los cortes en el talud Norteson excesivos, siendo desventajosa esta alternativa y tiendo la necesidad de cambiar poraquella que tenga simetra en los taludes laterales y de esta manera no tener excavaciones


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innecesarias. De esta manera comparamos alternativa A (Figura 2.6) y la alternativa D(Figura 2.7)

Portal Monteagudo

Portal Ipati

Figura 2.11. Excavacin alternativa A


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Portal Monteagudo

Portal Ipati

Figura 2.12 Excavacin alternativa D

De acuerdo a las ilustraciones mostradas (Alternativa A y alternativa D), la alternativa D, esla que tiene mayor simetra y consecuentemente menos excavacin.

2.4.3.GEOMECNICA

Las proyecciones estereogrficas de la alternativa D, se comparara con la alternativa A y deesta forma tendremos un parmetro, para ver cual de los dos trazos tiene menosposibilidades de falla. En la figura 2.8 y 2.9 mostramos las proyecciones estereogrficas delos portales y la posibilidad de inestabilidad que se da en los taludes, alternativa D.


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Talud Frontal

Talud Norte


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Talud Sud

Figura 2.8. Tipos de posibles fallas existentes en la alternativa D, Portal Monteagudo, Estacin representativa (TI-13)

Talud Frente


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Talud Norte

Talud Sud

Figura 2.9. Tipos de posibles fallas existentes en la alternativa D, Portal Ipati, Estacin representativa (TI-52a)


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En el portal Ipati comparando la alternativa A y Alternativa D, en la alternativa D existemenor posibilidad de falla, ahora realizando el mismo anlisis en el portal Monteagudo, laalternativa A y alternativa D, tienen las mismas posibilidades de falla.

2.4.4.GEOLOGA

El Tnel Incahuasi atraviesa formaciones del Carbonfero y Devonico, vase Figura 2.13.

El Carbonfero se divide en el Tnel Incahuasi en Chorros (Cch), Itaquami (Cita), Tupambi(Ctp) e Itacua (Cit).

La Periodo del Devonico se divide en el Tnel Incahuasi en Iquiri (Diq) y Los monos (Dlm),los materiales de cada una de estas formaciones se describiran mas adelante.

Carbonfero los Chorros (Cch), son areniscas limoliticas rojizas y gris oscuras con algunasintercalaciones de lutitas rojas. Tambin bancos arenosos amarillentos y blanquecinos degranos grueso.

Carbonfero Itaquami (Cita), son lutitas rojas o negras de dureza baja con intercalaciones dearenisca rojisas y gris oscuro.

Carbonfero Tupambi (Ctp), Areniscas sacaroideas de color crena amarillentos de granomedio de cuarzo y lechoso sub-redondeado a redondeados con intercalaciones de limolitas,areniscas limoliticas violceas, levemente micceas.

Carbonfero Itacua, son lutitas y diamictitas rojizos y areniscas blanquecinas.

Devonico Iquiri, son areniscas de grano fino a muy fino de color gris blanquecinas conintercalaciones de lutitas micceas gris oscuras a negruzcas.

Devonico los monos, son las lutitas y limolitas gris oscura a negro con algunas

intercalaciones de areniscas micceas gris blanquecinas.

Se localizaron dos fallas a lo largo del Tnel una de estas es una falla normal entre lasformaciones Carbonfero Itaquami y Carbonfero Tupambi, la otra falla es una falla inversalocalizada se encuentra entre las formaciones Carbonfero Chorros y Devonico Los monos.

Figura 2.10. Divisin de las formaciones a lo largo del Tnel Incahuasi


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Por la geologa, Geomecnica, Hidrulica y Topografa que cruzan la alternativas A(alternativa original) y la alternativa D, vemos por lo anteriormente mostrado y discutidoque la alternativa D es la mas factible, por lo tanto la elegida para el eje del Tnel.

El eje de la carretera en el tnel est definido por una serie de tramos rectos (tangentes ypendientes) conectados por curvas. Por lo tanto, estudiaremos el trazo del eje del TnelIncahuasi, Alternativa D.

2.5. REPLANTEO DISEO EJE DEL TNEL INCAHUASI (ALTERNATIVA D).

Vemos la necesidad de realizar un replanteo geomtrico en planta de entradas y salidas deltnel ya que en estos puntos se presentan curvas, las que pueden ocasionar vuelcos o algnaccidente imprevisto debido a la fuerza centrfuga que imprime cada vehiculo en la curva,esta fuerza debe ser apaciguada por una curva llamada clotoide o curva en espiral.

Entre las curvas de transicin ms frecuentemente empleadas pueden citarse la espiral deCornu o Clotoide, el valo, la lemniscata de Bernoulli, la parbola cbica, etc. De todas

estas, la ms ampliamente utilizada en carreteras es la Clotoide; su forma se ajusta a la dela trayectoria recorrida por un vehculo que viaja a velocidad constante y cuyo volante esaccionado en forma uniforme. La Clotoide permite enlazar un alineamiento recto con otrocircular, o viceversa; dos alineamientos rectos dos alineamientos circulares de igual acontrario sentido.

La Clotoide fue analizada en el ao de 1860 por Max von Leber, e introducida en la prcticade la ingeniera por L. Oerly en el ao 1937.

Fuente: Topografa aplicada a la construccin de carreteras

Figura 2.11. Clotoide como curva de transicin

2.5.1.ELEMENTOS PARA EL TRAZADO DE LA CLOTOIDE

Para el trazado de la clotoide se distinguen los siguientes elementos, estos se sealan en lasgte. Figura:


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Fuente: Topografa aplicada a la construccin de carreteras

Figura 2.13 Curva circular con clotoides y sus elementos

Punto de interseccin de las tangentes, PI.

Tambin llamado punto de inflexin (punto imaginario), este es denotado por la abreviaturaPI

Tangente de entrada a la curva, TE.

Es el punto en comn que tienen la tangente y la curva espiral, este es denotado por laabreviatura TE.

Tangente de salida de la curva, ET.

Es el punto en comn que tiene la curva espiral y la tangente, este es denotado por laabreviatura ET

Interseccin curva espiral y la tangente, EC o CE.

Es el punto en comn de la curva espiral y la curva circular, esta es denotada por la

abreviatura EC.Interseccin curva circular y espiral. Es el punto comn de la curva circular y la curvaespiral, esta es denotada por la abreviatura CE.

Desplazamientos de puntos de tangente, PC.

Es el punto donde se desplaza la tangente de entrada o Tangente de salida de la curvacircular, esta es denotada por la abreviatura PC.


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Delta, (

)

Angulo de deflexin entre las tangentes.

Angulo total, ().

Es el Angulo de deflexin entre la tangente de entrada y la tangente en un punto cualquierade la Clotoide, esta es denotada por la abreviatura .

Angulo entre tangentes, e ().

Es el ngulo de deflexin entre las tangentes en los extremos de la curva espiral, esta esdenotada por la abreviatura e.

Delta c, c ().

Es un Angulo que sub-tiene el arco EC-CE, esta es denotada por la abreviatura c.

Radio curva circular, Rc (m).

Es el radio de la curva circular, esta es denotada por la abreviatura Rc.

Radio de la curva espiral, R (m).

Es el radio de la curvatura de la espiral en cualquiera de sus puntos, esta es denotada por laabreviatura R.

Longitud de la espiral, le (m).

Es el permetro que tiene la curva espiral en cada lado, esta es denotada por la abreviaturale.

Longitud de la espiral, l (m).

Es la longitud desde la tangente de entrada o salida a la curva hasta un punto cualquiera deella, esta es denotada por la abreviatura l.

Longitud de la curva circular, lc (m).

Es el permetro que tiene la curva circular, esta es es denotada por lc.

Tangente larga de la espiral, Te (m).

Es la longitud medida desde la tangente de entrada o salida de la curva hasta el punto deinterseccin de las tangentes, esta es denotada por la abreviatura Te.

Coordenadas Xc y Yc (m).

Son coordenadas para encontrar el punto de interseccin entre la curva espiral y latangente, esta es denotada por la abreviatura Xc, Yc.

Coordenadas k, p (m).

Son coordenadas para encontrar el punto de desplazamiento de puntos de tangente de lacurva circular, esta es denotada por la abreviatura k, p.


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Externa de la curva total, Ec (m).

Es la distancia medida desde el punto de interseccin de las tangentes hasta la curvacircular, esta distancia medida debe ser perpendicular a la curva circular, la cual es denotadapor la abreviatura Ec.

2.5.2.ECUACIONES PARA EL TRAZADO DE LA CLOTOIDE

Angulo entre tangentes

1)e = (90.Le)/(.R)

c

2) c = - 2.e (Delta es el ngulo Delta)

Coordenadas para encontrar el punto de interseccin entre la curva espiral y latangente

3) Xc = Le{1 - [(e)/10] + [(e)4/216] + [(e)6/9360]} e: (radianes).Coordenadas para encontrar el punto de interseccin entre la curva espiral y latangente

4) Yc = Le{[(e)/3] - [(e)5/1320]}

Coordenadas para encontrar el punto de desplazamiento de puntos de tangente dela curva circular

5) K = Xc - R.Sene

Coordenadas para encontrar el punto de desplazamiento de puntos de tangente dela curva circular

6) P = Yc - R.(1 - Cose)

Tangente larga de la espiral

7) Te = K + (R+P).Tg(Delta/2)

Externa de la curva total

8) Ec = [(R+P)Sec (Delta/2)] - R

Longitud de la espiral

9) Le >= 30 m

Longitud de la espiral

10) Le>=v^3/(JR) R


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transversal. El peralte es diseado de acuerdo a la velocidad directriz que tiene la carretera.En el caso que nos ocupa carretera Monteagudo-Ipati se diseo con una velocidad directrizde 60Km/h y con un radio mnimo de 100m y un radio variables, estos radios van en funcina los trazados que se realicen (Anexos 2).

Los estudios de las carreteras en Bolivia nos recomiendan peraltes mximos. Para poderusar esta tabla, se tiene que definir previamente el tipo de terreno que se tiene en el tramocarretero.

Tabla 2.2. Peraltes mximos funcin de tipo de zona

PERALTES (emax %)6 carretera 0 y IA6-8 Zonas llanas prob hielo8-10 Zonas montaosas no Hielo

Fuente: Manual y Normas para el Diseo Geomtrico de Carreteras del antiguo Servicio de

Caminos.Para el tnel Incahuasi, se calcula los peraltes para cada curva (anexo 2), y verificara con laanterior tabla mostrada.

CATEGORA DE LA CARRETERA

El tramo Monteagudo-Ipati, es una carretera Internacional conectando los pases de Chile,Brasil, Paraguay y Argentina, consecuentemente esta carretera tiene que estar catalogadacomo una carretera de primera clase. En el manual y normas del servicio de caminosproporciona una velocidad de acuerdo a la clase de categora de la carretera como semuestra en la siguiente Tabla. En el tramo Monteagudo-Ipati se tiene para el diseo de lacarretera una velocidad de 80km/h, pero debido a las curvas obligatorias que se muestranen las diferentes alternativas obligo a reducir la velocidad directriz a 60km/h.

Tabla 2.3. Categora de carretera funcin de la velocidad directriz

categora Vel. Direc. Km/ho 120-80IA 120-70IB 120-70II 100-50II 80-40IV 80-30

Fuente: Manual y Normas para el Diseo Geomtrico de Carreteras del antiguo Servicio de

Caminos.

Adoptando nosotros una categora de primera clase, y reducirla en el tramo del tnel a60Km/h.


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RADIO MNIMO

El radio mnimo calculado funcin de la velocidad directriz, peralte y la constante f que esdependiente de la velocidad directriz; en nuestro caso la constante f=0.16 para unavelocidad de 60Km/h.

)(127min

2

fp

VR

+=

La ecuacin para calcular peraltes es

=

2

2minmin209.0

R

R

R

Rp

Los peraltes calculados para Tnel Incahuasi fueron de: Portal Monteagudo 2.5% y 2.7% Portal Ipati 9%.

Al ingreso de la curva espiral existe una longitud, denominada longitud mnima, estalongitud cumple la funcin de transicin para el ingreso a la curva circular, la cual se calculacon la siguiente formula:

i

BombeorilanchodecarL

=

El bombeo y i se tienen que manejar en decimales o en porcentaje; el parmetro i estambin funcin de la velocidad directriz y tiene un valor alcanza a 0.60% para unavelocidad de 60Km/h. teniendo de esta forma una longitud mnima al ingreso de la curva deL=12.7m.


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Fuente: Gua de Diseo Geomtrico

Figura 2.14. Desvanecimiento del bombeo y transicin del peralte

Los parmetros para el replanteo de la curva son calculados con las ecuaciones mostradasen subttulos previos, los resultados son mostrados en el subtitulo denominado resultados.

2.5.4.PARMETROS REPLANTEO CURVA CLOTOIDETabla 2.4. Parmetros para el Replanteo de la Clotoide

VEL. PROY.(Km/h)

R(m)

()

Le(m)

P(m)

K(m)

e()

Te(m)

c()

Lc(m)

Ec(m)

60 150 34.842 61.73 1.06 30.82 11.79 72.22 11.26 29.49 2.32720.3 12.744 30.00 0.05 15.00 1.19 95.44 10.36 130.21 4.53

120 39.613 77.16 2.07 32.45 12.42 82.41 2.77 5.80 9.74

Los resultados son aplicados en el trazado en planta, en cada curva de la alternativa D.

2.6. SECCIN TRANSVERSAL DEL TUNEL

En estudio de Factibilidad del tnel Incahuasi se ha presentado las consideraciones

necesarias para la seleccin de las dimensiones de la seccin transversal. Las dimensiones

adoptadas corresponden a carretera de la red fundamental boliviana y son las siguientes:

Seccin Bol 9,60 5,10

Ancho total plataforma: 9,60 metros

Calzada: 2 x 3,50 m

Arcen: 2 x 0,50 m


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Franja de emergencia (acera): 2 x 0,80 m

Altura libre: 5,00 metros

Revancha por recapamiento: 0,10 metros

En la figura 2.15 se muestra esquemticamente la seccin transversal adoptada.

2.7. DETERMINACIN DE LA GEOMETRA TRANSVERSAL DEL TNEL

Hasta principios del ao en curso 2.008 no se contaban en el pas con guas tcnicas para laseleccin de las dimensiones de la seccin transversal de un tnel. Normalmente se havenido aplicando las directrices contenidas en el Manual y Normas para el DiseoGeomtrico de Carreteras del Antiguo Servicio Nacional de Camino, (1.990) donde en elcapitulo 6 son recomendados anchos de carril en funcin de Trafico Medio Diario Anual(TMDA) y la velocidad directriz tal como se muestra en la Tabla 2.1


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Tabla 2.1.Categora de carreteras en Bolivia

Categora Criterio Velocidad directriz(km/h)

Ancho carril(m)

Nmero decarriles

0 TMDA > 15.000 120 - 80 3,65 3,50 2x2

I.A TMDA > 5.000 120 70 3,65 3,50 2x2I.B TMDA > 1.500 120 70 3,65 3,50 2II TMDA > 700 100 -50 3,65 3,35 2

III TMDA > 300 80 403,50 3,003,35 3,00 2

IV TMDA < 200 80 30 2

Fuente:Manual y Normas para el Diseo Geomtrico de Carreteras SNC (1.990)

Segn la norma boliviana el TMDA corresponde a un horizonte de planificacin de 10 aosdespus de la habilitacin de la carretera, excepto para la categora IV para la cual el TMDAcorresponde al ao de habilitacin.

En lo referente a la altura libre o galibo vertical ( sub capitulo 4.6) no se establece ni la

altura libre ni una altura mxima vertical para los camiones del transporte internacional enespera de los acuerdos entre los Ministros de Obras Pblicas y Transporte de los pases delCono Sur. Simplemente se recomienda considerar una tolerancia o altura adicional de 0,50 a1,00 m para garantizar un movimiento fluido de camiones con altura legal y poder aceptaralgunas cargas especiales de dimensiones excepcionales. En resumen, la norma bolivianavigente no establece una altura libre. Sin embargo, en un cuadro sin denominacin al finaldel texto se indica un glibo vertical mnimo de 5,50 m para todos los tipos de carretera y deobras, y un horizonte de planificacin de 20 aos.

Durante los primeros meses del ao 2.008 la Administracin de Carreteras Boliviana (ABC)ha puesto en circulacin unos manuales tcnicos para el diseo de carreteras y caminos,

donde se definen las siguientes dimensiones mnimas: Galibo vertical : 5 m o mayor, si se requiere Ancho de carriles : 3,5 a 4,0 m c.u Bermas : 0,5 m a cada lado de la calzada Aceras laterales : 0,75 a 0,85 Pueden aceptarse excepciones justificadas Pendiente transversal nica : 2 %

La nica condicin mencionada se refiere a la necesidad de tener tneles con dos carriles ycon un acho suficiente para que crucen dos camiones con adecuado rango de seguridad.

Los criterios de diseo adoptados en las normas antiguas as como las nuevas merecen unanlisis mas detallado por la influencia que tendrn sobre los costos de construccin.

A continuacin se presenta el resultado del trabajo bibliogrfico para establecer el marco deanlisis para el dimensionamiento de la seccin transversal de un tnel

2.8. CRITERIOS DE DISEO

2.8.1.CATEGORA DEL TNEL.

La categora del tnel y las dimensiones de la seccin transversal de un tnel debern serfijadas en funcin de varios parmetros:


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1. Trafico Medio Diario Anual (TMDA) en las dos direcciones y la composicin del trficocorrespondiente al ao horizonte del proyecto, es decir, 20 aos despus de laentrada en servicio.

2. Velocidad de diseo.

3. Longitud del tnel.

4. Categora o importancia de la carretera,

5. Nivel de servicio ( iluminacin, ventilacin, comunicacin, etc.) e instalaciones paracasos de emergencia

6. as como tambin, las consecuencias financieras por un incremento abusivo del anchode la calzada y/o la altura libre.

Varios pases tienen una norma o gua de diseo para tneles viales especfica: Inglaterra,Alemania, Suiza, Noruega, etc. En estas normas los dos primeros criterios mencionados son

los principales.

La norma noruega define la categora del tnel y las dimensiones de la plataforma enfuncin del Trfico Diario Promedio Anual (TPDA) y la longitud del tnel con una altura librepara todas las categoras. En esta norma se consideran 6 categoras que definen la seccintransversal del tnel y las facilidades estndar de emergencia, tal como se muestra en laFigura 2.1.

El simple hecho de elegir la intensidad de trfico como el principal parmetro dedimensionamiento de la seccin transversal refleja el cuidado que han tenido en Noruega enla consideracin de criterios tcnicos y econmicos para la construccin de sus tneles. Laadopcin de estas categoras con diferentes dimensiones en la seccin transversal enfuncin del trfico refleja el cuidado de los recursos pblicos y evitan unsobredimensionamiento innecesario de la infraestructura vial del pas.

En consideracin a la similitud entre Noruega y Bolivia en lo referente a la morfologa ytopografa accidentada y montaosa, adems, de la baja densidad demogrfica y extensinde los pases, consideramos que la norma noruega podra ser aplicable en Bolivia. En losacpites siguientes se presenta el anlisis comparativo de las principales caractersticas de laplataforma y la altura libre para proporcionar los elementos de valoracin de la seccintransversal adecuada a la necesidad y desarrollo de la economa del pas.


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Fuente:Norwegian Public Roads road Tunnels, 2.004

Figura 2.1.Categora de tneles viales

2.8.2.PLATAFORMA

Ancho del carril

La plataforma de un tnel es definida como la sumatoria de las aceras o franjas deemergencia, los arcenes o bermas y la calzada (carriles de rodadura), ilustrado en la Figura2


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Figura 2.2.Seccin transversal y definicin de plataforma

El ancho de un carril esta fundamentado en la consideracin de las dimensiones de losvehculos que componen la estructura del trfico y la velocidad de crucero o maniobra.

Considerando un ancho unitario de 1,80 m para vehculos livianos y 2,50 m para vehculospesados o camiones y remolques el Centro de Estudio de Tneles de Francia (CETU) delMinisterio de Obras Pblicas de Francia ha establecido los anchos mostrados en la Tabla2.2.

Tabla 2.2.Ancho de carril en funciona del tipo de vehiculo y condicin de circulacin

Condicin de circulacinVehiculo liviano o ligero

(VL)Vehiculo pesado

(VP)Parado 2,15 2,85Adelantamiento lento 2,30 3,00Velocidad prudente40 50 km/hr 2,70 3,25

Velocidad normal

60 km/hr 3,00 3,50

Fuente:CETU

La combinacin de los anchos de carril para una circulacin uni- o bi-direccional seencuentra en la tabla 2.3 de donde podemos concluir que el ancho de la calzada (doscarriles) vara de 4,60 m cuando se considera el paso prudente de dos vehculos livianos y7,00 m cuando se considera el paso de dos vehculos pesados a velocidad normal (60km/h)


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Tabla 2.3. Esquemas de ancho de calzada (dos carriles) en circulacin sin carril de parada

Velocidadnormal

Velocidadprudente

Velocidad depaso

V.L.

3,00 m

V.P.

3,50 m

V.L.

2,70 m

V.P.

3,25 m

V.L.

2,30 m

V.P.

3,00 mVelocidad V.L. 3,00 m 6,00 6,50 5,70 6,25 5,30 6,00

Normal V.P. 3,50 m 6,50 7,00 6,20 6,75 5,80 6,50

Velocidad V.L. 2,70 m 5,70 6,20 5,40 5,95 5,00 5,70

Prudente V.P. 3,25 m 6,25 6,75 5,95 6,50 5,55 6,25

Velocidad de V.L. 2,30 m 5,30 5,80 5,00 5,55 4,60 5,30

Paso V.L. 2,30 m 6,00 6,50 5,70 6,25 5,30 6,00

Fuente: CETU

Las combinaciones principales son mostradas en la figura 2.3

2.8.3.ARCENES Y ACERAS

Las dimensiones para los arcenes y la acera varan segn la experiencia de cada uno de lospases. En las tablas 2.4, 2.5, 2.6 y 2.7 son presentadas las dimensiones recomendadas,junto con el ancho del carril en funcin de la velocidad y el TMDA:

Tabla 2.4.Plataforma segn norma espaola IC3.1

Velocidad (km/hr) Acera (m) Arcn (m) Carriles(m)

Zonaintermedia

Totalplataforma

100 80 0,75 1,00 2x3,50 1,00 11,5060 0,75 1,00 2x3,50 0,00 10,5040 (TMDA>3.000) 0,75 0,50 2x3,50 0,00 9,50

40 (TMDA


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Figura 2.3. Ancho de calzada en funcin a la velocidad (km/hr) y tipo de vehiculo (CETU)

La norma noruega define las dimensiones de la plataforma en funcin del trafico, exigiendouna velocidad igual y mayor a 80 Km./hr cuando las longitud del tnel es mayor a 2,50 Km.

Tabla 2.5.Plataforma segn norma noruega

TMDA Acera(m)

Arcn(m)

Carril(m)

Zonaintermedia

Totalplataforma

7.500 -10.000 1,00 0,25 2x3,50 0,00 9,505.000 7.500 1,00 0,25 2x3,50 0,00 9,50300 5.000 0,75 0,25 2x3,25 0,00 8,50< 300 0,75 0,25 1x3,50 * 0,00 5,50

* Tnel con un carril solamenteEl Centro de Estudios de tneles de Francia (CETU) recomienda para un tnel bidireccional yen funcin de los objetivos las siguientes dimensiones.


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Tabla 2.6.Plataforma segn norma francesa

Tipo de perfil Acera(m)

Arcn(m)

Carril(m)

Zonaintermedia

Total pla-plataforma

Grande 0,75 1,00 3,50 0,00 10,50

Mediano 0,75 0,60 3,50 0,00 10,50Mnimo con banda gua 0,75 0,30 3,50 0,00 9,10Mnimo sin banda gua 0,75 0,00 3,50 0,00 8,50

Con la finalidad de tener una idea mas completa presentamos tambin las recomendacionesde Gran Bretaa y del Asociacin Mundial de Carreteras (PIARC)

Tabla 2.7Plataforma segn norma inglesa y PIARC

Pas Acera(m)

Arcn(m)

Carril(m)

Zonaintermedia

Total plataforma

Gran Bretaa 1,00 --------- 3,65 0,00 9,30PIARC 0,60 0,75 3,50 0,00 9,70

2.8.4.CONCLUSIN

Resumiendo, concluimos que el ancho recomendado para un carril vara de 3,65 m en Granbretaa a 3,00 m en Espaa para un tnel con una velocidad directriz de 40 km/hr y unTMDA menor a 300. El promedio general para el ancho de un carril (3,50 m) esindependiente de la velocidad directriz y del trfico.

2.8.5.ALTURA LIBRE O GLIBO VERTICAL

Altura de los vehculos

La altura libre definida, como la distancia vertical desde la calzada de rodaje hasta la zonade instalacin de equipamiento, es una funcin de la altura de los vehculos usuarios y de

una tolerancia o revancha de proteccin, construccin, mantenimiento y de sealizacin.Segn los tipos de de vehculos definidos por la AASHTO la altura mxima de 13,50 pies(4,10 m) corresponde a los camiones combinados WB-40 al WB-108D. Esta altura mximapara E.E.U.U. no ha sido adoptada por todos los pases latinoamericanos, Espaa y Portugaltal como se desprende de la tabla 2.8 extrada del estudio Pesos y dimensiones devehculos y transporte de cargas peligrosa. Consejo de Directores de Carreteras de Iberia eIberoamrica, Vol 15 2.005

Tabla 2.8 Altura de vehculos

Pas Altura vehiculo (m) Pas Altura vehiculo (m)Argentina 4,10 Mxico 4,25Brasil 4,40 Nicaragua 4,15Chile 4,20 Panam 4,15Colombia 4,10 Per 4,65Costa Rica 4,15 Portugal 4,00Cuba 4,00 Puerto Rico 4,11Ecuador 4,00 Uruguay 4,10El Salvador 4,15Espaa 4,00Honduras 3,80

Fuente: Consejo de Directores de Carreteras de Iberia e Iberoamrica 2.005


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La altura de vehculos adoptada en los pases vecinos vara de 4,65 en el Per, a 4,10 m enla Argentina pasando por 4,40 m en el Brasil. Estas alturas debern ser tomadas en cuentaen el anlisis en vista de la vocacin integradora de Bolivia y la necesidad creciente derutas expeditas transocenicas.

Altura libre

Un resumen de las alturas libre de guas y normas de varios pases es presentado en la tabla2.9, de donde se desprende que hay dos grupos: el primero grupo mayoritario con unaaltura libre de 4,5 a 4,70 m y el segundo grupo con 4,90 m a 5,03 m siendo esta ultimadimensin la mximo maximorum.

Conclusiones

Ancho del carril

Un ancho de 3.50 m es adoptado en la gran mayora de los pases para autopistas y

carreteras principales. Para tneles con intensidades de trfico bajas se recomienda adoptarancho de carril de 3,00 m (Espaa) a 3,25 m (Noruega).

Altura de vehculos

La mayora de los pases han adoptado una altura mxima de vehiculo pesado de 4,10 m,con alturas mximas de 4,65 m en el Per y 4,40 m en el Brasil.

Altura libre.

Se tiene un primer grupo de pases con una altura libre de 4,5 a 4,70 m y un segundo grupocon 4,90 m a 5,03 m.

Tabla 2.9 Prctica internacional: ancho de carril, altura libre y revancha o tolerancia

Pas,Denominacin gua

Velocidadde diseo(km/hr)

Anchode doscarriles(m)

Alturalibre(m)

Revanchaequipamientoconstruccin(m)

Alemania, RAS-Q 1996 70 - 100 7,00 4,50 n.s.Austria, RVS 9.232 100 80 7,00 4,70 n.s.Dinamarca, (s/n; practica) 90 - 120 7,20 4,60 0,20

Espaa, Instruccin 3.1-IC(1999)

1006040(IMD>3000)40(


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Pas,Denominacin gua

Velocidadde diseo(km/hr)

Anchode doscarriles(m)

Alturalibre(m)

Revanchaequipamientoconstruccin(m)

Suiza SN 640201 80 -120 7,75 4,50 n.s.

Gran Bretaa, TD27 (DMRB6.1.2.) 110 7,30 5,03 0,25

Japn, Ordenanza RS80 -12060

7,006,50 4,50 0,20

PIARC, 2.001 4,50 n.s.Norma de NNUU para Europa 4,50 n.s.Bolivia (Gua 1.990) 7,00 5,50 n.s.

Bolivia (Gua 2.008) 7,00 8,00

5,00

Fuente: Propia

2.9. COSTOS DE CONSTRUCCIN

La seleccin definitiva de la seccin transversal de un tnel debe estar fundamentada en losparmetros principales tcnicos: intensidad de trfico, velocidad directriz y naturaleza de lacarretera (red fundamental internacional o nacional) por una parte, y el costo deconstruccin de la obra por otra parte.

La seccin transversal viene definida por el ancho de la plataforma y la altura libre,equipamiento de ventilacin, tipo de la capa de rodadura y sistema de drenaje y la formageomtrica de la seccin para evitar concentracin de esfuerzos.

Habindose tratado la relacin de los dos parmetros fundamentales en el subcaptulo 2.2,se presentan a continuacin consideraciones referentes al costo por metro lineal de laexcavacin y el sostenimiento en funcin de la seccin del tnel (rea del intrados) y de los

tipos de excavacin adoptados. la aplicacin de estos costos para un tnel. Para ilustrar yver el significado de la decisin a adoptar estos costos han sido aplicados un tnel con unatramificacin determinada.

2.9.1.COSTOS DE LA EXCAVACIN Y EL SOSTENIMIENTO POR METRO DE TNEL

La estimacin de costos esta basada en la simulacin de la secuencia de construccin deltnel por el mtodo Perforacin y Voladura en el marco del NATM. Los costos demateriales, insumos, costo horario de equipo, mano de obra, equipamiento auxiliar para laconstruccin de un tnel (aire comprimido, energa, agua y ventilacin), etc corresponden alos precios promedios del mercado a mayo de 2.008. Para la determinacin de los preciosunitarios, duracin de cada ciclo de excavacin, etc. se ha considerado el volumen de cadatem y la duracin del mismo en funcin a la seleccin del sostenimiento para cada tipo deexcavacin. El detalle sobre la eleccin de las medidas de sostenimiento es presentado en elcapitulo 5 de este informe y las consideraciones de los aspectos constructivos y deestimacin de precios en el capitulo 8.

Se analizan 9 secciones transversales caracterizadas por el ancho de la plataforma y laaltura libre.


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Denominacin Seccin (m2) Ancho plataforma (m) Altura libre (m)Bolivia 10,6 5 70,23 10,60 5,00Bolivia 9,6 5,5 60,78 9,60 5,50Bolivia 9,6 5,0 58,39 9,60 5,00Noruega T8,5-5,5 57,36 8,50 4,50Noruega T8,5 5,0 53,16 8,50 5,00Noruega T8,5 4,6 54,60 8,50 4,60Noruega T9,5 5,5 62,80 9,50 5,50Noruega T9,5 5,0 58,24 9,50 5,00Noruega T9,5 4,6 54,60 9,50 4,60

Los costos por metro lineal de tnel para los nueve casos son mostrados en la figura 4. Larelacin costo del costo de excavacin y sostenimiento es aproximada satisfactoriamente poruna funcin lineal de la seccin terica del tnel. Este resultado aparentemente paradjica(el volumen de excavacin se incrementa directamente proporcional al cuadrado de lasdimensiones lineales) se debe al hecho que las medidas de sostenimiento son funciones delpermetro y no de la seccin.

Costo excavacin y sosten imiento/ml tune l

y = 48,218x + 323,08

R2= 0,9972

y = 70,306x + 1208

R2= 0,9852

y = 91,338x + 2391,5

R2= 0,9669

y = 95,48x + 7961,7

R2= 0,9839

y = 104,06x + 12293

R2= 0,9412

0,00

5.000,00

10.000,00

15.000,00

20.000,00

25.000,00

30.000,00

40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

Seccin [m2]

Costo

porexcav

acin

[ysostenimiento$us/ml

tunel]

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Tipo 5

Figura 2.4.Costo de excavacin y sostenimiento por metro lineal de tnel y tipo de excavacin en funcin de laseccin del tnel.

Los costos de excavacin y sostenimiento encontrados para mayo del ao 2.008 han sidocontrastados con los costos presentados por E. Hoek el ao 2.000 en la conferencia deIngeniera Civil y publicado por la ASCE en la revista de Ingeniera Geotcnica y Ambiental,vol 127, N 9. (Figura 2.5) Estos costos del ao 1.999 han sido actualizados al ao 2.008con una tasa de 4 % para el dlar americano. En esta figura se puede observar la mismadependencia del costo lineal respecto a la seccin del tnel, as como el costo para cada tipode excavacin. Esta validacin con precios de tneles construidos en el mundo nos permite


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afirmar que el modelo utilizado arroja montos confiables para la estimacin de costos detneles.

Costo excavacin y sostenimiento / ml tunel

y = 49,466x + 32,978

R2= 1

y = 65,955x + 2324,9

R2= 1

y = 82,444x + 4616,9

R2= 1

y = 98,933x + 6908,8

R2= 1

y = 115,42x + 9200,7

R2= 1

y = 85,366x + 2249,5

R2= 0,9594

0,00

5.000,00

10.000,00

15.000,00

20.000,00

25.000,00

40 50 60 70 80 90 100

Seccin [m2]

Costo

excavaci

nysostenimiento[$us/ml

tunel]

Tipo 1 Tipo 2 promedio Hoek"

Tipo 4 Tipo 5 Tipo 3

Figura 2.5.Comparacin de costos lineales estimados con la experiencia internacional.

En la figura 2.6 y en la tabla 2.10 son mostrados los costos de excavacin y sostenimientopara las dos se

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