LECCION DISEÑO
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CAPITULO VII
MECANISMO DE REGULACION Y EMERGENCIA
7.1. GENERALIDADES
El control del flujo que es extrado de un embalse se efecta mediante la operacin
de vlvulas y compuertas ubicadas en las obras de toma. Estn diseadas para la
carga mxima, y construidas para ciertas condiciones de operacin.
Los rganos de emergencia se instalan agua arriba de las de regulacin y se
conservan abiertas, excepto cuando se requieran maniobras de inspeccin,
reparacin o mantenimiento.
Terminologa a utilizarse:
VALVULA: Es un rgano de control en el cual la parte que hace variar el flujo
permanece dentro del mismo, siendo rotada o desplazada longitudinalmente para
controlar el caudal.
COMPUERTA: Es un rgano de control consistente en un tablero o superficie
plana o curva, lo cual es desplazada perpendicularmente al flujo desde una posicin
externa, para controlar el flujo.
VALVULAS O COMPUERTAS DE EMERGENCIA: Son vlvulas o
compuertas q operan totalmente abiertas o cerradas como rganos secundarios decontrol, con la finalidad de cortar el flujo en caso de que las vlvulas o compuertas
de regulacin dejen de funcionar.
VALVULAS O COMPUERTAS DE REGULACION: Son vlvulas o
compuertas que operan normalmente bajo diferentes presiones y aberturas con la
finalidad de regular el caudal.
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COMPUERTAS DE ENTRADA ( BUIKHEAD GATES): Son compuertas que
se instalan en las entradas de los conductos y que operan totalmente abiertas o
cerradas. Se utilizan generalmente para dejar en seco las tomas, lo que permite su
inspeccin y mantenimiento.
TABLEROS DE CIERRE (STOP LOGS): Son compuertas similares a las de
entrada pero mas rudimentarias. Consisten en elementos individuales separados que
se colocan unos sobre otros, lo que facilitan su manejo.
DISPOSICION DE LOS ORGANOS DE CIERRE: En relacin a las vlvulas y
compuertas, es necesario destacar que en todo conducto deben instalarse como
mnimo dos controles: Una compuerta o vlvula de emergencia, la cual estar en
general totalmente abierto y solo ser cerrada en caso de que sea necesario separar
la compuerta de regulacin.
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7.2. TIPOSDECOMPUERTAS
Numerosos tipos de compuertas han sido utilizadas a travs de los aos en el control
del flujo en las presas. En la actualidad solo se emplea un numero reducido de
modelos, los cuales han demostrado ser los mas econmicos, simples robustos y
fciles de operar.
7.2.1. COMPUERTAS DESLIZANTES.
Las compuertas deslizantes consisten en una placa mvil que al levantarse
permite graduar la altura del orificio que se va abriendo y de esta forma
controla el caudal que sale por el mismo.
Estas compuertas se instalan normalmente en un tramo de conducto de
seccin rectangular, por lo que su ancho coincide con el con el del
conducto y la abertura se hace variando solamente la altura del orificio.
El caudal que pasa bajo una compuerta deslizante viene expresado por la
ecuacin.
= 2
Q= Caudal 3/.
Cd= coeficiente de descarga de la compuerta.
B= anchura de la abertura (m).
H= altura de la abertura (m).
Z= distancia vertical de la lnea de energa inmediatamente aguas arriba de
la compuerta al tope de la vena contracta (m).
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Compuerta deslizante.
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7.2.2.
COMPUERTA DE ANILLO (RING-FOLLOWER).
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Las compuertas de anillo se utilizan nicamente como rganos de
emergencia, no deben utilizarse en funciones de regulacin ya que se
producirn serios daos tanto en la compuerta como en el conducto aguas
debajo de la misma. Como rgano de emergencia pueden instalarse en
cualquier parte del conducto y no tiene limitaciones en cuanto a la
velocidad del flujo, a la carga de trabajo, ni al tamao.
7.2.3. COMPUERTAS MONTADAS SOBRE RUEDAS.
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Cuando las cargas de agua son elevadas y/o las reas de las compuertas
son grandes, las fuerzas resultantes sobre las superficies de apoyo de la
hoja (guas) hacen que la friccin adquiera valores muy altos, lo cual
resulta en mecanismo de operacin de las compuertas sumamente
robustos.
Para reducir al mximo la friccin en estos casos, se montan las hojas de
las compuertas sobre ruedas.
La estanquidad de la compuerta se logra mediante sellos de goma
colocados en su periferia.
Algunos fabricantes recomiendan utilizar la compuerta de emergencia tipo
deslizante, ya que su funcionamiento es mas simple y tiene menos
probabilidades de sufrir algn desperfecto, lo de regulacin la prefiere
rodante o sobre rodillos, para facilitar las maniobras y simplificar el
mecanismo hidrulico de operacin.
7.2.4.
COMPUERTAS RADIALES.
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Las compuertas radiales o de sector han sido desarrolladas principalmente
para ser utilizada en las crestas de los aliviaderos de superficie para el
control de las crecientes; especialmente en las descargas de fondo como
rganos de regulacin del flujo, en el extremo aguas debajo de los
conductos.
El caudal que descarga una compuesta radial se calcula con la siguiente
ecuacin:
Q= 2
Q= caudal (3/)
C= coeficiente de contraccin de la compuerta
B= ancho de la compuerta (m)
h= altura de la abertura (m)
Z= distancia vertical de la lnea de energa inmediatamente aguas arriba de
la compuerta, al tope de la vena contracta (m)
D= Altura del conducto (m)
Y= Altura de la vena contracta (m)
B= Angulo del borde de la compuerta con la horizontal
H= energa total de aguas arriba de la compuerta.
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7.2.5. COMPUERTA CILINDRICAS.
Las compuertas cilndricas se usan en la torre-toma, como rganos deseleccin de la profundidad a la cual se desea captar el agua en un embalse.
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Se operan normalmente totalmente abiertas o cerradas y solo muy rara vez
a aberturas parciales para regular el caudal, por lo que se asemejan ms a
compuertas de energa que a compuertas de de regulacin.
Bsicamente estn formados por una placa cilndrica que puede subirse o
bajarse para abrir o cerrar una serie de aberturas radiales que existen en las
paredes de la torre toma circular en la cual estn instaladas.
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TNELES
9.1. GENERALIDADES
En obras pblicas se plantea frecuentemente el problema de la construccin de
tneles.
La necesidad de los tneles se impone en la construccin de carreteras, ferrocarriles
y canales cuando es imposible la ejecucin de una trinchera (para pasar una
montaa) o cuando es demasiado costosa (si la profundidad de la trinchera es tal
que la excavacin al aire libre resulta ms costosa que la de un volumen ms
reducido excavado un tnel) o demasiado molesta (por ejemplo, en las ciudades).
Se utilizan para pasar por debajo de canales o ros (carreteras, ferrocarriles),
problema particularmente delicado. En el mismo orden de ideas puede estudiarse
el paso de estrechos o brazos de mar: el problema del tnel bajo el Canal de la
mancha, planteado desde hace largos aos, est actualmente en vsperas de
ejecucin, mientras que el tnel bajo el Estrecho de Gibraltar ha sido mencionado,siendo probable que se estudie su ejecucin a continuacin.
Las obras hidroelctricas exigen la ejecucin en tnel de galeras de derivacin y
tuberas de carga o descarga de la central. La compaa Electrici de France ha
realizado hasta hoy varios centenares de kilmetros de tneles.
Las centrales subterrneas construidas han exigido la extraccin de varioscentenares de millares de metros cbicos de tierras.
Las obras urbanas ofrecen numerosos ejemplos de tneles: alcantarillas, galeras
para cables o tuberas, ferrocarriles metropolitanos, pasos subterrneos.
La obligacin, impuesta por las necesidades de la guerra moderna, de construir
refugios contra los bombardeos areos y contra los bombardeos atmicos, conduce
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tambin a la construccin de tneles, que tambin se emplean en gran escala en
fortificacin.
La construccin de tneles plantea una serie de problemas relacionados ya con las
disposiciones a adoptar en las obras, ya con el mtodo de ejecucin de stas y el
equipo de los atajos.
Las soluciones dependen especialmente de la naturaleza del terreno, de su
resistencia y de la posible presencia de agua.
Las obras subterrneas son semejantes, pues, a las obras de cimentacin y exigen,
como ellas, serios estudios preliminares y una constante prudencia.
Fuera del terreno de las obras pblicas propiamente dichas, las obras subterrneas
son normales en las explotaciones mineras, que exigen la perforacin de galeras
cuyo desarrollo sobrepasa los 200 kilmetros por ao. Los mtodos generales y los
procedimientos de ejecucin apenas se diferencian en ambos casos y pueden
lograrse preciosas enseanzas del estudio del material y los mtodos de trabajo en
uso en las minas.
Desde el punto de vista histrico, indiquemos que los tneles reservados a la
circulacin de viajeros y mercancas son relativamente recientes, ya que las
primeras realizaciones se sitan hacia 1750. Por el contrario, los primeros tneles
destinados a la explotacin de los minerales se remontan a principios de los
descubrimientos metalrgicos a final de la Edad de Piedra.
Se construyeron acueductos subterrneos mucho antes de la Era Cristiana, yalgunos tneles romanos sirven an hoy para alimentar de agua a varias ciudades
modernas.
Desde el punto de vista bibliogrfico, parece que la primera obra tcnica sobre la
ejecucin de tneles se remonta a 1556 y se debe a Georges Bauer, un alemn que
la public bajo el nombre de Georg Agrcola, latinizando su nombre.
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El ttulo de la obra, impresa en latn, era De Re Metallica. Despus se tradujo a
varias lenguas y fue la autoridad mxima durante tres siglos para cuanto se
relacionaba con minas, tneles y metalrgica.
Como dato curioso, en ella se dice que el terreno rocoso debe disgregarse por el
fuego encendiendo una hoguera contra el frente de ataque, regando despus la roca
al rojo con una mezcla de vinagre y agua.
Los materiales as disgregados se separaban del frente con pico y barra de mina.
Las entibaciones eran sensiblemente iguales a las que se utilizan hoy.
Las bombas y ventiladores eran de madrera
En lo que sigue veremos que actualmente se dispone de medios mucho ms
desarrollados.
9.2. ESTUDIOSPRELIMINARES
9.2.1. Estudios geolgicos del terreno.
La primera labor a realizar consiste en el estudio geolgico del terreno
mediante el mapa Geolgico y con la asistencia de especialista. Este estudio
debe afectar a la totalidad del trazado proyectado y sus posibles variantes
para decidir con pleno conocimiento de causa.
Segn la situacin de las capas subterrneas que permite prever este estudio
se determinar con cierta aproximacin la naturaleza de los terrenosencontrados, su dureza, su reparticin a lo largo del trazado, etc.
Se presentar la mxima atencin a las zonas en que se presenten accidentes
geolgicos, como fallas y regiones de dislocacin que corresponden a rocas
aplanadas o fisuradas. Se intentar prever las zonas, en que se puedan
producirse afloramientos de aguas subterrneas o bolsas de agua, as como
las que corresponden terrenos muy malos (arenas fluidas, terrenos yesosos)que exigen siempre el empleo de mtodos de ejecucin onerosos.
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A veces, basta un estudio geolgico serio para rechazar o modificar un
trazado.
Los informes que pueden obtenerse de este estudio, aunque de enorme valor
contienen solamente datos de orden general y pueden ser insuficientes en
determinadas zonas localizadas. En particular, la determinacin de la
potencia de los afloramientos de agua es muy insegura. Toda galera
provoca un drenaje cuyo efecto es difcil de precisar. Por ello se imponen
sondeos y la construccin de galeras de reconocimientos.
9.2.2. Sondeos
El estudio de un tnel debe comprender siempre sondeos para precisar la
naturaleza de las capas subterrneas, su estado fsico, consistencia y su
grado de humedad. Los sondeos se ejecutan por pozos o por perforacin.
Los sondeos por pozos son los ms instructivos, pero son difciles cuando
la altura del terreno por encima del tnel es grande (tneles de montaa).
Generalmente, se ejecuta al menos un pozo en cada acceso y, si es posible,
uno o varios pozos intermedios.
Sera normal situar los pozos de sondeo en el eje del tnel para obtener
informes exactos, pero en los terrenos permeables esto presenta el
inconveniente de crear zonas de drenaje en las que el agua satura el terreno
hacindolo difcil atravesar cuando se llega a l con la construccin del
tnel en s, siendo mejor en este caso situar los pozos fuera y a alguna
distancia del trazado del tnel.
Los sondeos por pozos presentan un inters particular cuando pueden
utilizarse posteriormente para la ejecucin de las obras o su ventilacin.
Entre los pozos se completa el reconocimiento del subsuelo mediante
perforaciones verticales, para las que ofrecen una excelente solucin las
sondas rotativas que permiten retirar testigos intactos.
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Repitamos aqu lo que hemos dicho al referirnos a los sondeos al principal
del curso (tomo I). Los gastos realizados en materia de sondeos son siempre
como pensadores y hacemos nuestra la mxima siguiente:
Los sondeos se pagan siempre, incluso si no se hacen.
9.2.3. Tneles de reconocimiento
Se construyen tneles de reconocimiento partiendo de las bocas del tnel
del fondo de los pozos de sondeo y movindose a lo largo del eje del tnel.
Este trabajo da informes exactos sobre la naturaleza del terreno, su dureza,
comportamiento, etc., y facilita mucho el estudio de los precios.
En los terrenos poco consistentes y permeables, estas galeras, como los
pozos tienen el inconveniente de producir drenaje. El terreno vecino se
satura y pronto difiere del que se encontr al perforar la galera de
reconocimiento. Los apuntillamientos se deterioran y la continuacin
posterior del trabajo puede complicarse notablemente por ello. Por lo tanto,
no es conveniente construir galeras de reconocimiento cuando se trabaja en
terreno suelto y permeable y cuando la ejecucin del tnel no debe seguir
inmediatamente a la de la galera.
Por el contrario, en terrenos rocosos la ejecucin de galeras de
reconocimiento es muy til para prever la velocidad de avance y el
comportamiento de la roca y determinar los precios.
9.2.4. Importancia de los estudios preliminares.
Los estudios preliminares tienen en tneles una gran importancia. Algunos
ejemplos clsicos lo demostrarn claramente.
En el tnel de Nontron, en la lnea de Nontron a Sarlat, un estudio preliminar
bien realizado permiti evitar arenas terciarias y mantenerse en la caliza
ooltica haciendo bajar la cota de la obra algunos metros.
En el tnel de Saix, en la lnea de Moutiers a Bourg-Saint-Maurice, una
desviacin del trazado en la orilla izquierda del Isere permiti evitar terrenosyesosos que si no, se hubieran encontrado en la orilla derecha.
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Por el contrario, en la construccin del tnel de Meudon, en 1900, en la lnea
de Pars-Invlidos a Versalles, una interpretacin optimista hizo suponer la
existencia de buen terrenos a mitad del tnel, ejecutndose solamente dos
pozos de sondeo en los extremos que slo indicaron que en un pequea
longitud el tnel transcurra a 2m bajo una capa de agua de 20m. de espesor.
En la ejecucin, 40m de la longitud de la obra debieron transcurrir en arenas
fluidas, siendo necesario para pasarlas, 15 meses.
En el tnel de Marot, en la lnea de Montauban a Brive, fueron necesarios
siete aos para atravesar 100m de arenas fluidas.
Por ltimo, no hay que olvidar que los estudios geolgicos no dan ms que
probabilidades y no certezas y que no permiten prescindir de la mayor
prudencia en el curso de las obras.
As, en la construccin del tnel del Loetschberg (1908), cuyo trazado
pasaba bajo un ro, el Kander, estudios geolgicos serios hicieron creer que
el kander no haba excavado un lecho de ms de 70 m. y que a 170m. bajo
el lecho el tnel estara situado en una capa de por lo menos 100m de caliza
franca. De hecho, la galera de avance desemboc en los materiales de
aluvin del Kander cuyo espesor alcanzaba 180m y que invadieron la galera
en algunos minutos, produciendo la muerte de 25 hombres.
Fue necesario vaciar la galera, abandonar 1200m de tnel y ejecutar una
importante desviacin del trazado.
9.3. CARACTERSTICASTCNICASDELOSTNELES
Las caractersticas tcnicas de los tneles dependen del papel de la obra del terreno
en el que deben ejecutarse. Al fijarlos, no debe perderse de vista que las obras
subterrneas son caras y que deben reducirse al mnimo.
Tambin hay que hacer observar que, una vez en servicio la obra, es difcil y a
menudo imposible modificarla o ampliarla. Por lo tanto, a pesar de todo, preferible
no reducir su glibo en exceso pro conseguir economa.
9.3.1. Tneles para carreteras y vas frreas.
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El trazado y el perfil longitudinal son funcin esencialmente de la topografa
del terreno, pero dependen tambin de las condiciones de ejecucin de las
obras.
1. Los tneles rectilneos son ms fciles de construir que los curvos en
cuanto se refiere a la precisin del replanteo del eje, pero esto tiene poca
importancia para los tneles de pequea longitud.
El trazado de los tneles cortos puede ser recto o curvo, a ser posible de
radio constante.
En cambio, para los tneles largos que se atacan siempre por ambos
extremos a la vez, se adopta preferentemente el trazado en lnea recta, que
es el ms econmico y exacto en cuanto se refiere a la coincidencia entre
ambos ataques.
Sin embargo, hay una excepcin a esta regla en los tneles de ferrocarril
terrenos montaosos.
Si el trazado general exige la construccin
de un tnel entre los puntos A (cota hA)
y B (cota hB), el tnel tendra una pendiente.
hBhA
AB
Si se trata en lnea recta.
Si esta pendiente es inferior a la admisible, se adopta el trazado rectilneo,
pero si es superior, hay que reducirla aumentando la longitud del tnelmediante un trazado en curva llegando hasta el trazado helicoidal formando
un bucle completo.
Como ejemplo pueden citarse los tneles helicoidales de la lnea del San
Gotardo y del Simplon y de Moutiers, en la lnea Bourg-Saint-Maurice.
2. En cuanto se refiere al perfil longitudinal, la solucin no depende
enteramente del proyectista, sino que depende de la configuracin del
terreno y del papel que ha de desempear el tnel.
A
B
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La construccin de tneles en pendiente no presenta dificultades
particulares si se excepta la de la evacuacin de las aguas subterrneas
si existen.
Ataques de pendiente
Desde este punto de vista es preferible construir los tneles subiendo desde
aguas abajo hacia aguas arriba, con una pendiente que permita la libre
eliminacin de las aguas hacia la boca del tnel por cunetas dispuestas a este
fin.
Sin embargo, esta pendiente puede ser tal que haga difcil el empleo de las
palas cargadoras o que haga anormalmente costoso el transporte de los
escombros.
En el Mont Blanc, donde en el frente de ataque del lado francs al pendiente
alcanzaba el 2.4 %, las palas sobre orugas Conway trabajaban mal y los
trnasportes exigieron un frenado importante. Parece que esta pendiente es el
lmite prcticamente admisible.
En el caso contrario de ataque en descenso (o contrapendiente) las aguas se
concentran en el avance y es necesario evacuarlas por bombeo, lo que es
costoso.
Esto, por otra parte, puede convertirse en catastrfico si se encuentran bolsas
de agua subterrneas que, en estas condiciones, pueden sumergir la obra.
El ataque horizontal no presenta mayor inconveniente, salvo el de imponer
la obligacin del bombeo para la evacuacin de las aguas de filtracin.
ATAQUE ASCENDENTEATAQUE DESCENDENTE (contrapendiente)
BOCA
BOMBA
BOCA
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Por ello, siempre que se pueda, se intentar atacar los tneles subiendo, para
que la eliminacin de las aguas se realice normalmente. Si no es posible se
emplearn bombas en el avance del ataque en contrapendiente.
Esta cuestin de los afloramientos de agua, respecto a la que hemos dicho
que era difcil hacer una previsin completa en el estudio previo, es una de
las mayores preocupaciones a tener en cuenta durante la ejecucin de
tneles.
Se atribuye a un contratista americano la broma siguiente:
Encargue usted siempre bombas de una potencia doble de la que estime
necesaria. Si despus aade todas las disponibles que pueda encontrar,
terminar por darse cuenta de que todava no tiene ms que la mitad del
material que necesita.
Cuando son previsibles bombeos en contrapendiente, se utilizan:
Bombas alternativas de pistn de aire comprimido o elctrica.
Bombas centrfugas de simple o doble efecto, de aire comprimido o
elctrica, generalmente sumergidas y funcionando bajo el agua (bombas
Ingersoll, Atlas Polar, Flynt, entre otras).
A menudo, cuando el tnel es largo hay que prever estaciones intermedias
de bombeo.
En la proximidad del frente de ataque, las bombas son generalmente de aire
comprimido.
Cuando el caudal de agua que aparece en el frente de ataque supera ciertos
lmites, no es posible trabajar ms que con mtodos especiales de los que
hablaremos ms adelante (escudo de aire comprimido, inyecciones deavance).
El terreno seco puede atacarse indiferentemente subiendo o bajando.
En los tneles de contrafuertes para carreteras y vas frreas debe
conservarse una pendiente general ascendente en el sentido del valle.
Se adopta generalmente una pendiente nica, que es la de la carretera, para
los tneles de carretera, y la de la va frrea reducida en un 10 a 20% para
los tneles de ferrocarril, compensando esta pendiente la reduccin deadherencia que produce la atmsfera hmeda del tnel.
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As, en el Transpirenaico, de traccin elctrica la pendiente de la lnea es de
43 mm en el exterior y de 34 mm en tnel.
Siendo estos tneles generalmente cortos, se atacan nicamente por el
extremo inferior, subiendo.
Tnel de contrafuertes para Tnel de Cumbre
Vas frreas
En los tneles largos, especialmente en los de cumbre, es conveniente tener
pendiente a ambos lados para poder trabajar por ambos ataques, evacuando
las aguas por gravedad.
Si ambas cabezas estn sensiblemente al mismo nivel se adopta una
pendiente y una contrapendiente de 2.5 a 3 mm, que permite una buena
evacuacin de las aguas.
Si las dos bocas estn a niveles diferentes, se prevn dos pendientes tambin
diferentes. En la boca ms alta se toma la pendiente mnima de 2 mm
correspondiente a la fluencia crtica de las aguas. Por el contrario, en la ms
baja se adopta una pendiente fuerte para equilibrar, si es posible, la longitud
de ambos tramos.
El esquema de la figura 321 da el perfil longitudinal adoptado en el tnel
del Simplon.
C
DA
BBoca Italiana
(533.60)Boca Suiza(533.60)
91.84 m 500 10.086 m
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Tnel del Simplon
En la zona ms elevada de los tneles para vas frreas se prev
generalmente un tramo horizontal de 400 a 500m.
En los tneles subfluviales (por ejemplo, las travesas del Sena pr el
Metropolitano e Pars), el problema se plantea de forma muy distinta ya que
es forzoso ejecutar los tneles bajando.
Las aguas de las filtraciones se evacuan durante la obra mediante bombeo,
siendo necesario tambin prever la evacuacin del agua cuando el tnel est
en servicio. Las aguas se renen en pozos de achique donde se evacuan
generalmente por bombeo.
9.3.2. Galeras hidrulicas
El problema de las galeras hidrulicas es netamente diferente ya que en
estos tneles no existen las limitaciones de curvas y pendientes existentes
en los tneles para carreteras y vas frreas.El trazado de las galeras hidrulicas se compone de alineaciones rectas que
conviene sean lo ms largas posible y curvas de acuerdo; se utilizan trazados
quebrados o curvos de forma que se aproximen a gargantas
convenientemente elegidas en las que es posible establecer ventanas de
ataque intermedias.
En cuanto al perfil longitudinal, est constituido tambin por secciones de
inclinaciones variables, que pueden llegar hasta la vertical (pozos),existiendo frecuentemente entre ambos extremos de una galera hidrulica
diferencias de nivel de varios centenares de metros.
Obsrvese que, siempre que sea posible, debe evitarse en estas galeras la
existencia de un punto alto por las dificultades que pueden presentar la
evacuacin del aire de este lugar.
9.4. PERFILTRANSVERSAL
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El perfil transversal depende de la funcin de la obra, que condiciona las
dimensiones del glibo libre interior que constituye su hueco, y de la naturaleza del
terreno que determina el revestimiento necesario para proteger el vaco interior.
En principios y salvo en terrenos rocosos compactos de excelente comportamiento,
los tneles deben revestirse siempre. Incluso en estos terrenos, puede convenir
revestir las galeras hidrulicas par disminuir la prdida de carga debida a la
rugosidad de la pared rocosa. El revestimiento debe ser de mampostera y hormign
y, excepcionalmente, en los tneles subfluviales, de metal.
En los terrenos malos con fuertes empujes, el revestimiento debe ser completo,
aproximndose a la forma circular, que es la de mxima resistencia.
En terrenos normales, se aplica el revestimiento sobre el hueco a proteger (bveda)
y en los muros laterales (laterales). Eventualmente, estos muros laterales se apoyan
en una solera.
En los terrenos muy buenos puede suprimirse la solera y los muros laterales si se
encuentra roca franca que se mantenga naturalmente, limitndose entonces a
revestir la bveda.
Por ltimo, en las rocas excepcionalmente compactas y no heladizas, puede
suprimirse tambin el revestimiento de la bveda. A veces, basta con un simple
revestimiento de gunita.
La naturaleza de los terrenos condiciona tambin el espesor del revestimiento, que
debe ser tanto mayor cuanto ms empuja el terreno y mayor es la seccin del tnel.
Esto plantea un problema tcnico de clculo de difcil resolucin, para el que
conviene estudiar las disposiciones adoptadas con xito en obras anlogas.
La determinacin de las dimensiones del revestimiento de un tnel es importante
no solamente por la seguridad de la obra, sino tambin por su precio de costo. Es
necesario limitarse al mnimo, pero sin poner en peligro la seguridad de la obra.
Se debe siempre estudiar los diversos perfiles correspondientes a los terrenos de
diferente naturaleza que pueden encontrarse durante la obra para adaptarse
continuamente al terreno encontrado, realizando de esta forma el mnimo gastocompatible con la mxima seguridad.
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9.4.1. Alcantarillas
En las alcantarillas, que tienen casi siempre pequea pendiente y deben ser
visitables, se adopta un perfil ovoidal con cuneta circular en la parte inferior
para aumentar la velocidad del agua.
Alcantarilla Galera hidrulica
La altura debe ser como mnimo de 1.80 m con una anchura de 1.30 m a la
altura de los hombros. En general, es suficiente un revestimiento de
hormign de 20 cm.
9.4.2.
Acueductos y galeras hidrulicas
Para los acueductos y galeras hidrulicas, se adopta a menudo la forma
circular que, a igualdad de seccin recta, da el mximo caudal de agua. Es
tambin la forma que da una resistencia ptima a los empujes del terreno
con el revestimiento ms delgado (forma econmica).
A menudo se adopta la forma en herradura por cuestiones de comodidad
ejecucin (circulacin, fases de hormigonado).
9.4.3. Vas Frreas
Para las vas frreas pueden utilizarse numerosos perfiles, segn el tipo de
va y el terreno.
Los glibos libres interiores son los siguientes para la va normal de Francia.
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Entre el intrads de la bveda y la parte superior de los carriles exteriores
debe haber una altura libre mnima de 4.80 m. En curvas debe haber una
distancia mnima de 20 cm. entre la envolvente del glibo y el revestimiento.
Los perfiles transversales difieren segn el terreno.
En buen terreno (roca) se utilizan generalmente muros verticales y bvedas
en medio punto. En terrenos menos resistentes se utilizan secciones ms
aproximadas a la forma ovoidal, ensanchndolas, inclinado los muros y
aadiendo una solera interior. En otros casos, se realiza la bveda dndole
una forma ojival.
En cambio, en las ciudades es frecuentemente forzoso, a causa de la falta de
altura, rebajar las bvedas aumentando su espesor, como ocurre en los
tneles del metropolitano.
Las estaciones presentan, respecto a su anchura, una seccin an ms
rebajada.
El espesor del revestimiento depende de la naturaleza del terreno. Para las
bvedas en roca compacta pero heladiza, basta con un revestimiento delgado
de mampostera u hormign trasdosado paralelamente:
Tnel de una va: 3550 cm
Tnel de dos vas: 5070 cm
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Si son de temer cadas de bloques, o si se trabaja en terreno poco
consistentes se aumenta el espesor:
Tnel de una va: 70 cm
Tnel de dos vas: 90 cm
Si son de temer fuertes empujes se lleva el espesor en clave a 1m. o incluso
1.50m., aumentando el espesor en arranques; la bveda no se trasdosa
paralelamente.
Los muros laterales tienen un espesor que vara de 0.70 a 1.50 m, segn
terreno. En cuanto a la solera, puede bastar un espesor menor (50 a 70 cm).
9.4.4. Tneles de carretera
Los tneles de carretera normales son un poco mayores que los tneles de
va frrea para va doble, pero cuando deben dar paso a ms de dos vas de
circulacin es necesario ensancharlos dndoles un perfil transversal
aplanado.
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Entre los tneles de carretera de anchura excepcional, pueden citarse el
Saint-Cloud en la autopista del Oeste a la salida de Pars, que da paso a cinco
y de circulacin.
Su anchura es de 17m. La bveda tiene enclave un espesor 1.10m. y los
muros laterales miden 2.80 m.
9.4.5. Tneles de navegacin interior
Los tneles de navegacin interior que permiten el paso de canales son
generalmente de grandes dimensiones.
Entre los tneles excepcionales puede citarse el de Rove, que da paso entre
Marsella y el Lago de Berre, en una longitud de 7 Km., a la seccin martima
del canal de Marsella al Rdano, y admite buques para navegacin martima
de 4m de calado.
Tnel de Rove
Este tnel, construido en caliza, tiene una anchura total de 22m, dos paseos
de 2m y una altura sobre el nivel del agua de 11.40 m.
9.4.6. Espesor del revestimiento
Los espesores de revestimiento que hemos mencionado en las lneas o
croquis de las pginas anteriores se dan solamente a ttulo indicativo.
En terreno blando, especialmente en terrenos sin cohesin y arcillas
plsticas, es posible realizar un clculo aproximado del espesor partiendo de
ciertas hiptesis basadas en presiones de trazado hidrosttico.
Por el contrario, en la roca no parece que se pueda determinar vlidamente
el espesor por clculo.
9.0
11.4
4.0
Ba
nquetade
22.0
18.0
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En el caso de revestimiento hormigonados no parece recomendable utilizar
un espesor en clave inferior a 25 cm. Para permitir el paso de la tubera para
hormign entre la cimbra y la pared (bomba de hormign o transportador
neumtico) y la ejecucin de un cierre en clave correcto.
Tendremos que volver sobre esta cuestin de los revestimientos al tratar de
su ejecucin (captulo L y LI).
9.4.7. Cuadro de glibos interiores
En resumen, la seccin recta del glibo interior (sin revestimiento) de los
tneles, es muy variable con los rdenes de magnitud siguientes:
Tipos de obrasSeccin
(m2)
Alcantarillas.... ..
Colectores, emisarios, galeras hidrulicas............................
Tneles para una va frrea....
Tneles para vas frreas dobles....
Grandes tneles de carreteras.....
Tneles para canales de navegacin interior..................
23
520
2730
4662
50100
150270
9.5. VENTILACIN DE LOS TNELES DE GRAN LONGITUD DE
EXPLOTACIN
En los tneles largos utilizados por viajeros (tneles de ferrocarril o de carretera),
se plantea el problema de la ventilacin, que debe limitar a un valor admisible el
contenido en xido de carbono.
Esta cuestin es particularmente importante en los tneles de carretera como
consecuencia del contenido en xido de carbono de los gases de escape de los
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vehculos automviles. Observemos que en el tnel de carretera de Saint-Cloud han
llegado a pasar hasta 6000 vehculos por hora.
El estudio de este problema se sale de los lmites de este curso y slo nos referimos
a l ligeramente.
Generalmente, se admite que por debajo de un contenido en CO de 2/10 000 no hay
que temer ningn efecto nocivo, pudiendo admitirse temporalmente en puntas de
trfico como mximo un contenido de 4/10 000.
Los diferentes procedimientos de ventilacin empleados son los siguientes:
9.6. VENTILACINLONGITUDINAL:
9.6.1. VENTILACION NATURAL
Obtenida por diferencia de nivel entre las dos bocas y calentamiento interior.
Este procedimiento solamente es admisible para tneles cortos y depequeos trficos.
9.6.2. VENTILACION ACELERADA. SISTEMA SACCARDO
La ventilacin longitudinal se acelera mediante un ventilador que impulsa
aire en una de las bocas y un aspirador situado en la otra.
Este sistema se ha utilizado en el tnel de Mornay (Ain).
Presenta el grave inconveniente de activar el posible incendio de los
vehculos dando lugar a una velocidad excesiva del aire.
VENTILADOR ASPIRADOR
VENTILACION SISTEMA SACCARDO
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Sistema del tnel de Saint-Cloud, autopista del Oeste. En el tnel de Saint-cloud se ha instalado un aspirador en un pozo situado en el punto medio del
tnel, el cual aspira 720 m3/seg.
9.7. VENTILACINTRANSVERSAL
Este sistema es clsico para tneles de carretera de gran trfico.
En el caso del esquema el aire fresco insuflado en un comportamiento situado bajo
la calzada alimenta el tnel a travs de aberturas laterales. El aire viciado se evacua
por un comportamiento situado en la parte superior.
Este sistema se ha aplicado, por ejemplo, en el Holland-Tunnel.En el esquema de la figura 332 los dos circuitos de aire fresco y aire viciado estn
situados bajo la calzada.
En este caso, el aire viciado es aspirado por bocas situadas en el techo. Este es el
sistema utilizado en el tnel del Mont-Blanc.
GRIFOS ABIERTOS
GRIFOS CERRADOS
VENTILACIN NORMAL
TUNEL
VENTILACIN DE SOCORRO
TURBOVENTILADOR
TUBERA DE VUELTA
GRIFOS CERRADOS
GRIFOS DE VUELTAABIERTOS
TUNEL DE CARRETERA DE SAINT-CLOUD. ESQUEMA DE DOS SISTEMAS DEVENTILACIN: NORMAL Y DE SOCORRO
H
LICE
PA
DADA
HL
ICE
GIR
ANDO
AIRE
VICIADO
AIREFRESCO
AIREFRESCO
AIREVICIADO
AIREVICIADO
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9.8. VENTILACINSEMITRANSVERSAL
En la ventilacin semitransversal se suprime uno de los dos circuitos aire fresco
o aire viciado, sustituyndolo por la seccin del tnel en s.
En el esquema de la figura 333 se representa el caso en que la seccin del tnelsustituye a un circuito de aire viciado.
Este sistema se ha aplicado en el tnel del Mersey el
Liverpool, de una longitud de 4200m.
Cuanto antecede se refiere a la ventilacin de los
tneles en explotacin, siendo el problema en la fasede construccin muy distinto, especialmente en el
caso de tneles en terreno rocoso en cuya construccin hay que utilizar explosivos.
Hablamos de este problema en el captulo XLIX. Ventilacin del tnel de Mersey
9.9. EVACUACIN DELASAGUAS
En explotacin, la eliminacin de las aguas se asegura mediante cuneras acueductos
establecidos contra los muros laterales.
En los tneles a contrapendiente, especialmente en los subfluviales, debe preverseun dispositivo de bombeo.
LLEGADADE AIRE
SOLERA
ACUEDUCTO AXIAL
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Si el tnel tiene solera, para no debilitar su unin con los muros laterales, se
construye a veces el acueducto longitudinalmente en el eje del tnel, debiendo dejar
de trecho en trecho bocas de acceso al acueducto para su limpieza.
9.10.DISPOSICIONESDIVERSAS
En los tneles para vas frreas se prevn nichos para permitir al personal refugiarse
durante el paso de los trenes. Los nichos que miden en general 2m de altura, 1m de
profundidad y 2m de anchura, se sitan cada 100m alternativamente a un lado y a
otro de la vida.
Los tneles de carretera en montaa estn provistos generalmente de puertas
metlicas para cerrarlos durante el invierno cuando la nieve los bloquea.
Tambin puede ser necesario instalar en los tneles:
- Estaciones de bombeo para la evacuacin de las aguas.
- Instalaciones de depuracin y acondicionamiento del aire en tneles especiales
(refugios contra bombardeos, fortificacin, etc.)
- La iluminacin, en el caso de los tneles de carreteras, es problema que exige
una atencin particular.- Efectivamente, hay que prever en cada acceso la transicin entre la iluminacin
artificial en el interior del tnel y la luz solar exterior.
Naturalmente, se utiliza la iluminacin elctrica.
9.11.CALCULODELASECCINDEUNTNEL
Tambin se cuentan con tablas especiales que permiten calcular el valor el una
constante especial de donde luego se deriva para hallar el valor del radio de la
seccin del tnel. Para nuestro estudio consideraremos el caso de aquellos tneles
formados por una seccin cuadrada unida a secciones circulares.
Los tneles pueden ser con o sin
revestimiento dependiendo las ventajas
entre ellos por el costo de su
construccin. Sin embargo en iguales
consideraciones tcnicas, un tnel con
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revestimiento resulta ms econmico,
de mejores cualidades hidrulicas y de
fcil mantenimiento.
Estos tipos de tneles, cualquiera que sea su forma de seccin transversal, deben
tener un espacio por encima del nivel superior del agua, llamada Zona de seguridad,
y cuya altura se denomina ALTURA DE SEGURIDAD, cuyo valor no puede bajar
de 40 cm., altura que permite trabajar al tnel con seguridad y libremente.
Consideramos el siguiente problema sobre tneles.- Calcular las dimensiones de un
tnel, cuyo material es Roca, que puede conducir un caudal de 2m3/s, son una
gradiente hidrulica de i J = 0.0005, con un coeficiente de rugosidad para la roca de
n = 0.04. Calcular tambin el costo de construccin del tnel sabiendo que el metro
cbico de excavacin de la roca cuesta $ 1.000,00.