Parte II: Geotecnia de túneles en roca dura

Introducción

Túnel es el espacio subterráneo que incluye desde la caverna, la cueva natural hasta amplios recintos subterráneos transitables dentro de lo que podría englobarse como urbanismo y espacio subterráneo; en suma, el túnel como obra de tránsito y también como hábitat.

Cuando pretendemos acometer una excavación subterránea, se debe realizar un análisis previo dela respuesta de la roca para diseñar los huecos y seleccionar los sostenimientos

La gran mayoría de estas obras subterráneas se realizan atravesando macizos rocosos, por lo que tenemos que ayudarnos de la Mecánica de Rocas

La Mecánica de Rocas aplica los principios de la Elasticidad y la Resistencia de Materiales a los materiales geológicos, lo que resulta válido para porciones de material homogéneo, isótropo y continuo, es decir, fragmentos de roca pequeños, estudiando, luego, cómo evoluciona el comportamiento de la masa de roca en su conjunto, para lo que desarrolla sus propias teorías.

En un segundo paso, se investiga el comportamiento de la roca diaclasada (media escala, decamétrica) y, por último se pronostica el de todo el macizo de roca al que se extiende la excavación (gran escala, hectométrica).

Generalidades en excavación

Excavación del emboquille

El emboquille es la intersección de talud y túnel y por esta razón no pueden aplicarse (y de hecho nunca se aplican) las clasificaciones geomecánicas convencionales a los emboquilles.

La mayoría de los problemas de boquillas son causados por roturas de talud a favor de juntas que buzan hacia el exterior y/o vuelcos de estratos cuando las juntas buzan hacia el interior.

Los taludes laterales deben tratarse de la misma forma que en el resto de la traza. En cuanto al talud frontal son frecuentes los problemas de estabilidad, con caídas parciales o incluso roturas generalizada.

Figura 1.- Medidas de protección en emboquilles

Distintos autores han realizado distintas recomendaciones, a la hora de ejecutar los emboquilles, tenemos por ejemplo las de Rogers y Haycock como se muestra en la Figura 2 (1989):

Figura 2.- Recomendaciones de Rogers y Haycock

Otro autor que ha elaborado unas buenas recomendaciones es Romana (2000), Figura 3:

Figura 3.- Recomendaciones emboquille de Romana

El uso de la maquinaria convencional de excavación de túneles requiere alturas libres no menores de 5 ó 5,5 m. Por lo tanto los túneles de hasta 6 ó 7 m de ancho suelen excavarse a sección completa. En los túneles de ancho mayor (como son todos los túneles de carretera y/o ffcc de vía doble) puede plantearse la excavación a sección completa o a sección partida. Las recomendaciones se refieren solo a la zona de emboquille:

Para masas rocosas de buena calidad (RMR > 70) parece recomendable emboquillar a sección completa, si la excavación va a continuarse también a sección completa.

Para masas rocosas de media calidad (30 < RMR < 70) el sistema habitual es la sección partida en dos: avance y destroza.

Para masas rocosas de calidad mala (30 > RMR) es más conveniente el emboquille por galerías múltiples, con construcción de contra bóveda robusta para finalizar la sección.

El paraguas es siempre una buena práctica y se recomienda prácticamente en todos los casos, aunque podría obviarse cuando la calidad del macizo rocoso es muy buena (80 > RMR).

1. Paraguas ligero (60 < RMR) .- Constituido por bulones de φ32 de acero corrugado y de 6 a 9 metros de longitud, colocados dentro de una perforación de 2½. La distancia usual entre las perforaciones varía entre 0.5 y 1 m.

2. Paraguas medio (30 < RMR < 70) .- Constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior igual o inferior a 90 mm y espesor igual o inferior a 7 mm. La longitud varía entre 9 y 20 m.

3. Paraguas pesado (RMR< 30) .- Puede estar constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior superior a 90 mm y espesor superior a 7 mm. La distancia entre los ejes de micropilotes es menor de 50 cm. La longitud de los paraguas pesados es, como mínimo de 20 m y está limitada técnicamente por la capacidad para mantener el paralelismo entre perforaciones próximas.

4. Paraguas de jetgrouting .- En terrenos sin cohesión el paraguas puede construirse mediante columnas de jetgrouting. La longitud de los paraguas de jet grouting suele variar entre 12 y 20 m.

Bulones en el talud frontal

El diámetro recomendable es φ32, aunque pueden utilizarse bulones de φ25. Los bulones deben anclarse por adherencia con lechada de cemento y es conveniente aplicar en cabeza una ligera tensión para que la placa la transmita a la superficie del talud y prevenir así la descompresión superficial. La longitud de los bulones suele ser del orden de 6 m o inferior; la longitud nunca será inferior a un décimo de la altura del talud, medida sobre rasante.

Concreto proyectado en el talud frontal

Para masas rocosas de calidad media a buena (40 < RMR), y entonces debe aplicarse puntualmente, según la técnica del “concreto dental”. Para masas rocosas de calidad mala (RMR < 40) el concreto proyectado puede ser útil para prevenir la erosión superficial debida al clima o a la escorrentía superficial de agua.

Red de protección sobre el talud frontal.- Protección para caídas de piedras.

Mallazo.- Evita la rotura la tracción de la gunita y refuerza su resistencia a flexión.

Excavación del túnel

Partición de la sección

Bieniawski recomendaba la excavación a sección completa para las masas rocosas de buena calidad (RMR > 60).

En las categorías medias a malas (20 < RMR < 60) Bieniawski recomendaba sección partida en dos fases, y para las muy malas (RMR < 20) galerías múltiples.

Sección completa (RMR > 60). Posible a partir de RMR > 50 Bóveda y destroza (RMR > 30). Podrán excavarse completamente por separado la

bóveda y la destroza siempre que la calidad del macizo rocoso no sea mala. Galería de avance (10<RMR<40). Útil en terrenos de calidad media y túneles de

gran anchura o en terrenos de calidad mala y túneles de ancho medio (10 12 m). ‐ Galerías múltiples (0 < RMR < 30). Se trata del llamado método alemán (con dos o

cuatro galerías excavadas previamente en los hastiales). Son sistemas adecuados para túneles en macizos rocosos de calidad mala a muy mala.

Contrabóveda (0 < RMR < 30). Necesaria cuando la sección puede cerrarse por la base. Es un método complementario con todos los demás.

Longitud de pase

Para macizos de calidad media a mala se recomienda graduar la longitud de pase variándola entre 4 m (RMR = 60) y 1 m (20 < RMR < 30). Los macizos de calidad muy mala (20 > RMR) requieren pases muy reducidos inferiores a 1 m.

Método de excavación

Elegir el método de excavación más adecuado para nuestro túnel depende de:

Organización general del túnel y a sus necesidades de sostenimientos. Cualquier método es posible en casi todos los casos, pero solo resulta adecuado en

determinados intervalos. La dureza y abrasividad de la roca es una limitación añadida para los métodos de

excavación mecanizada.

Los métodos de excavación son:

Voladura (RMR > 40).- es el más versátil y los pasos son:o Perforación y carga de la voladurao Saneo y descombroo Selladoo Finalización del descombro

o Sostenimiento mediante buloneso Sostenimiento mediante concreto proyectado

TBM (Tuneladoras) RMR > 60.- debe tenerse cuidado en terrenos excesivamente blandos; las fallas son un enemigo mortal de los topos. A continuación se presentan algunas características:

o Sección circularo Radio de curvatura de mínimo 300m pero de promedio 500mo Pendiente máxima de 3.5% - 4%

Rozadora (30 < RMR < 90).- Maquina de ataque puntual y cuerpo bajo y compacto. Sus ventajas son:

o Admite alta mecanizacióno Reduce sobre-excavaciones en relación con el uso de explosivoso No altera prácticamente las características iniciales de la rocao Reduce la cuantía del sostenimiento frente al uso de explosivoso Se adapta mejor que otros sistemas a la ejecuciones por faseso En comparación con máquinas TBM (topos) presenta la sig. ventajas:

Mayor flexibilidad en cambios de terreno Se puede utilizar en una amplia gama de secciones Instalación fácil y económica Porcentaje de mano de obra especializada pequeño Mejor rendimiento en rocas de mala calidad

Fresado (RMR < 30).- Maquinas que montan una fresa de potencia media sobre un brazo de retroexcavadora

Escarificación/pala (RMR < 20).- los macizos de calidad muy mala pueden excavarse prácticamente como suelos con palas convencionales y/o escarificarse

Elección del método de excavación

Factores que intervienen:

Geotécnicos Económicos Sociales y medioambientales

Condicionantes:

Características del terreno El plazo de la obra La longitud del tramo El nivel tecnológico de la zona

Posibilidad de amortización de maquinaria en la propia obra u obras futuras Espacio disponible en los extremos del túnel o zonas intermedias Existencia de obstáculos especiales

Criterio de Romana (2000) para elección del método de excavación, para túneles de 10-14 metros de ancho:

Figura 4.- Recomendaciones de Romana (2000)

Métodos de sostenimiento

Selección de sostenimiento

El cálculo del sostenimiento se puede ir realizando, aumentando el grado de afinamiento empleando las siguientes técnicas en orden progresivo:

Uso de las clasificaciones geomecánicas Uso de las Curvas Características Soluciones obtenidas mediante cálculos numéricos (M.E.F.)

Uso de las clasificaciones geomecánicas

Las clasificaciones de Barton y de Bieniawski son las que ofrecen unos resultados más fiables. La Clasificación de Bieniawski es la más fácil de usar y la más versátil pero, por lo que se refiere a las orientaciones que da sobre el sostenimiento necesario en una excavación, la clasificación de Barton está más desarrollada.

Por todo ello, un método para realizar el diseño empírico del sostenimiento de un túnel podría ser el siguiente:

Caracterizar el terreno mediante la clasificación de Bieniawski. Determinar el parámetro de Barton correspondiente al RMR de Bieniawski, que se

ha obtenido clasificando el terreno. Determinar el ESR según los criterios contenidos en la Tabla siguiente, para

el tipo de excavación que se trate

Entrar en el ábaco de la figura siguiente con los valores de Q y ESR para determinar el sostenimiento que resulta recomendable.

Figura 5.- Determinación aproximada del sostenimiento de un túnel

Curvas características

Las curvas características de la excavación se definen como la representación gráfica de la relación entre la presión radial aplicada en el perímetro de la excavación y el desplazamiento radial del perímetro al estabilizarse la excavación.

Figura 6.- Modelización de la curva característica de una excavación de Hoek

La curva característica puede determinarse mediante programas informáticos de cálculo tensodeformacional.

La parte lineal de la curva característica responde a la ecuación:

Donde:

E= Modulo de Young del terreno σ= Coeficiente de Poisson del terreno σi=Tensión interna en la excavación ejercida rígidamente

El transito elástico-plástico está definido por una presión interna crítica, definida por la ecuación:

Donde:

σcM: Resistencia a compresión simple del macizo rocoso.

La parte de la curva característica correspondiente al comportamiento plástico esta definida por la expresión:

Donde R* es el radio de plastificación, que está definido por la expresión:

La curva característica del sostenimiento se puede asimilar a una recta

Figura 7.- Modelización de la curva característica del sostenimiento

Dicha curva queda definida por los siguientes parámetros:

σi,max: Tensión máxima del sostenimiento Uso: Desplazamiento radial de la excavación al colocar el sostenimiento. Us: Desplazamiento máximo que puede admitir el sostenimiento

Un parámetro muy característico del sostenimiento es su rigidez Ks, que es la pendiente de su curva característica

Método de los elementos finitos

Consiste en modelizar el terreno, que es un medio continuo, mediante una serie de elementos discretos conectados unos con otros a través de unos puntos comunes llamados nodos. Dentro de cada elemento planteamos las ecuaciones de la Elasticidad en función de los valores de los movimientos y de las tensiones en los nodos, suponiendo que en el interior del elemento ambas siguen unas leyes conocidas. Posteriormente se elabora una matriz, llamada matriz de rigidez [K], que contiene las rigideces de cada elemento frente a cada movimiento y la conexión entre los diversos elementos.

Una vez resuelto el sistema lineal, pueden obtenerse las tensiones en cualquier punto volviendo a aplicar las ecuaciones de la Elasticidad dentro de cada elemento.

El nuevo método austriaco. Filosofía de trabajo

Introducción

Desarrollado por los profesores L.V. Rabcewicz y L. Müller durante los años 1957 y 1965, llegando a ser patentado en Austria en 1958

Uno de sus puntos de partida fue la clasificación geomecánica del macizo rocoso de Lauffer (1958) que establece siete categorías de roca a partir de la relación entre tiempo de estabilidad de la excavación y la luz o dimensión libre sin sostener (Figura 1), comprobándose que un aumento de la anchura del túnel significa una reducción en el tiempo de colocación del sostenimiento. Siendo el tiempo de estabilidad de la excavación uno de las bases del NATM. Se trata de conseguir que la roca sea el principal elemento del sostenimiento

Figura 8.- Grafica Tiempo Estabilidad vs Longitud del Túnel

Interacción excavación-sostenimiento, curvas características

Para aplicar este método es necesario:

Determinar la curva CC, mediante los datos obtenidos en el estudio geotécnico, para cada uno de los tramos en los que haya dividido el macizo rocoso a atravesar.

Determinar la rigidez del sostenimiento (k), para cada uno de los tramos. Determinar la deformación del túnel correspondiente a la instalación del

sostenimiento Una vez definido el sostenimiento inicial que debemos emplear, debemos

rectificar, según avanza la excavación, este sostenimiento inicial mediante la

obtención de las curvas reales a través de la auscultación. Obteniéndose parejas de valores presión convergencia, que permiten comparar las curvas teóricas‐ con las curvas reales, pudiendo tomar decisiones sobre aligerar el sostenimiento proyectado o colocar uno más rígido.

Para determinar la curva característica del terreno se considerará sucesivamente el comportamiento elástico y elastoplástico del terreno. Se presentan soluciones para dos criterios de rotura:

Criterio de MohrCoulomb, por ser de uso generalizado, tanto en macizos rocosos como en suelos. Permite de forma natural tratar las condiciones no drenadas (c = cu, ø= 0) y puramente friccionales (c = 0, ø).

Criterio de HoekBrown, por su fidelidad para reproducir las envolventes de rotura no lineales observadas en rocas.

En el NATM se alcanza la convergencia de equilibrio y el sostenimiento a aplicar.

Principios básicos del NATM

Utilizar la roca como elemento resistente frente a las cargas que se van a ir produciendo durante la excavación.

La resistencia de macizo debe conservarse y movilizarse lo más posible. Esto implica dañar la roca lo menos posible durante la excavación.

Debe controlarse la deformación, mediante la instalación de un sostenimiento inicial.

El sostenimiento inicial a colocar, debe ser flexible y proteger al macizo de todos los efectos que entraña la apertura de una cavidad.

El tiempo de colocación del sostenimiento y el cierre del anillo son de vital importancia para controlar las deformaciones.

La longitud del tramo sin sostener ha de ser la mínima posible. Debe procederse a medir continua y cuidadosamente las deformaciones

(convergencias), colocando si es necesario un refuerzo de sostenimiento primario.

Sistemas de sostenimiento empleados en el NATM

Concreto proyectado Cerchas metálicas Bulones

Razones para algunos fracasos del NATM

no controlar la longitud del avance (pase)

esperar demasiado para cerrar la sección trabajando con rocas blandas, el tiempo que transcurre hasta el cierre de la

sección puede suponer incrementos de los asientos verticales del 200% o más El solapamiento de terrenos anulares en torno a procesos constructivos por

fases se considera perjudicial para la masa de roca de acuerdo con la filosofía del NATM

Consideraciones prácticas

El pre diseño se hace con recomendaciones de autores conocidos, como las de Bieniawski y después debe hacerse una comprobación con métodos numéricos (curvas convergencia presión, elementos finitos y/o diferencias finitas

Es necesario decidir si la excavación se hace a sección completa, si en avance y destroza o se llega a definir una sección partida (en 3, 4 o más zonas). Ello es fruto de tener en cuenta varios factores:

Las deformaciones de plastificación e inestabilidad del frente o de la bóveda. El factor económico y la facilidad de construcción

Sostenimiento de túneles

Sostenimiento mediante cerchas o cuadros metálicos

Esta técnica de entibación es conveniente para condiciones de terreno en las cuales exista una importante tendencia al colapso y cierre, debido a los esfuerzos progresivos inducidos por la convergencia de la roca fallada. Se emplean para mitigar las cargas puntuales que puedan producir bloques sueltos sobre el resto de los sistemas de entibación

Para caracterizar el comportamiento de los perfiles, se emplea el módulo de flexión o módulo resistente WX, WY, que se define como la capacidad del perfil para resistir los esfuerzos normales al plano de la cimbra.

Figura 9.- tipos de perfiles más usados

Sostenimientos rígidos

Sostenimiento rígido de acero:

Se emplea en terrenos cuya expansión es de poca importancia y que no ejerzan altas presiones.

Su papel principal es el de sostenimiento de forma que evite la caída de bloques. Como anillos o arcos circulares, para aperturas en zonas de altas presiones,

compuestos por tres o más segmentos roblonados entre sí. Como arcos, compuesto de arcos de segmentos curvos de dos, tres, cuatro o más

segmentos unidos por unas juntas y roblonados entre sí y no llevan articulaciones. Como vigas, para sostener el techo de una galería, apoyándose en muros de

revestimiento o postes. Sistema limitado a techos bajos como es el caso de las galerías.

Sostenimiento con vigas de acero laminado:

El sostenimiento de túneles y galerías con arcos o anillos se realiza actualmente de manera eficiente con vigas de acero laminado (VAL).

Generalmente este sostenimiento es aplicado en los siguientes casos: o En macizos rocosos fracturados o muy poco competentes donde los

bulones no son eficientes.

o En el caso en que la roca presente potencialmente una extensa fracturación y/o posible colapso como consecuencia de la excavación.

o En condiciones de elevados esfuerzos in situ debido a las tensiones naturales de la roca.

Sostenimiento flexible, deformable o deslizante

Sujetados y ajustados con uniones atornilladas. Para lograr un sostenimiento deformable de este tipo, emplean perfiles THN solapados

El funcionamiento del sistema es muy simple:

Las grapas van a actuar como disipadores de energía por fricción. Cuando la presión del terreno sobre la cimbra supera cierto valor (que vendrá

determinado por el par de apriete de las uniones), los elementos empiezan a deslizar al vencerse la fuerza de rozamiento entre ellas modificando su curvatura.

Esto permite como una válvula de seguridad, actuar antes de que la presión del terreno sea demasiado elevada evitando el agotamiento de la entibación.

Sostenimiento por concreto proyectado

Se entiende por gunita la puesta en obra de un hormigón o mortero proyectado con aire a presión a través de manguera a gran velocidad sobre un soporte. El concreto proyectado es un hormigón cuyo tamaño máximo de áridos es superior a 8 mm, y que aplicado a máquina se proyecta a gran velocidad sobre un soporte a través de manguera y boquilla.

Sistema de mezcla seca. El sistema de mezcla seca consta de una serie de fases y requiere unos equipos especializados

El cemento y los áridos se mezclan adecuadamente hasta conseguir una perfecta homogeneidad en proporciones variables. Lo normal es usar cemento Portland; sin embargo, a menudo se emplean cementos especiales, junto con diferentes clases de áridos (artificiales o naturales, de río o machaqueo).

La mezcla de cemento/áridos se introduce en un alimentador del equipo (junto con acelerante en polvo si se emplea).

La mezcla entra en la manguera mediante una rueda o distribuidor (rotor). La mezcla es transportada mediante aire a presión (flujo diluido) hasta una boquilla

o pistola especial. Esta boquilla va equipada con un distribuidor múltiple perforado, a través del cual se pulveriza agua a presión (junto con acelerante líquido si se emplea), que se mezcla con el conjunto cemento/áridos.

La mezcla ya húmeda se proyecta desde la boquilla sobre la superficie soporte que debe gunitarse.

El uso de las máquinas de mezcla seca puede dividirse en tres grandes categorías: para gunitados de alta velocidad, gunitados de baja velocidad y de transporte.

Sistema de mezcla semi húmeda.- Difiere en que, a una distancia aproximadamente de 5‐ m de la boquilla, se efectúa la adición de agua, y se puede, y debe, humedecer los áridos, hasta un 10%,

Sistema de mezcla húmeda.- La gunita de mezcla húmeda consigue morteros y concretos de propiedades equivalentes a la mezcla seca con técnicas de dosificación y aditivos, pero se consigue una disminución importante de la dispersión de resultados, causa y preocupación del control de aplicación.

Materiales

Áridos.- deben ser menores a 15mm Cementos.- Preferentemente del tipo CEM I Agua.- Debe ser agua potable limpia y libre de sustancias Aditivos y adiciones

o Vía seca.- Acelerantes, humo de sílice, estabilizadores de fraguado, fibras de acero y cenizas volantes

o Vía húmeda.- acelerantes, superplastificantes, humo de sílice, estabilizadores de fraguado, reductores de rebote, fibras de acero o polipropileno y cenizas volantes

Dosificación del concreto proyectado

Generalmente se recomienda dosificar los materiales en peso En el caso de la vía húmeda, la relación agua/cemento estará comprendida

generalmente entre 0,40 y 0,50 La dosificación usual de los acelerantes de fraguado es del 4 5% del peso del‐

cemento tanto en polvo como en líquido La adición a base de humo de sílice polvo se añadirá en una dosificación entre el 4‐

10%, y las cenizas volantes en un porcentaje no superior al 15 20%, según el tipo‐ de cemento.

Ensayos previos in situ

Dichos ensayos deben realizarse en la obra y con antelación al comienzo de la misma, empleando las instalaciones y los componentes del concreto definitivos

Puesta en obra

El sistema de hormigón proyectado por vía seca requiere unos equipos especializados. Esquemáticamente, el proceso se resume de la siguiente forma: El cemento y los áridos se mezclan hasta conseguir una perfecta homogeneidad; se introduce la mezcla en un alimentador, entrando en la manguera mediante un distribuidor; la mezcla se transporta mediante aire a presión hasta una boquilla o pistola especial, la cual va equipada con un distribuidor múltiple perforado, a través del cual, se pulveriza agua a presión que se mezcla con el conjunto cemento/áridos. Finalmente, la mezcla ya húmeda se proyecta sobre el soporte a gunitar.

El sistema de hormigón proyectado por vía húmeda se puede dividir en 2 procesos distintos: Flujo diluido (rotor) y Flujo denso (bomba), diferenciándose en el sistema de transporte de la mezcla de hormigón, aire comprimido en el caso del flujo diluido, y mediante bombeo en el flujo denso. Con ambos procesos se consiguen grandes rendimientos, cubriendo sobradamente las aplicaciones de las máquinas de vía seca.

El sistema de hormigón proyectado por vía semihúmeda es idéntico en sus primeras fases al de la mezcla seca, sólo difiere en que permiten humedades de áridos de hasta el 10% y que a una distancia de unos 5 m de la boquilla se adiciona el agua, mejorándose las propiedades de la mezcla al llegar a la boquilla.

La aplicación constara con un equipo mínimo de

Un gunitador Un maquinista Un operador de la planta de mezclado Un capataz o jefe de equipo

Para preparar la superficie se utilizara un chorro de aire a presión, chorro de aire y agua a presión, chorro de agua a alta presión chorro de arena, en este último caso, para los soportes de concreto (reparación). Como norma, se debe retirar los restos de materiales sueltos o de otros oficios que estén sobre el soporte, evitando la creación de falsas zonas que no adhieran al revestimiento posterior. En líneas generales se deberá hacer siempre la preparación de superficies mediante humectación del soporte para conseguir unas condiciones adecuadas.

Una vez elegido el tipo de máquina, así como el diámetro de las mangueras de proyección, el funcionamiento será el siguiente:

Comprobación de las mangueras de proyección para ver si están limpias, para ello se conectan a un compresor que disponga de un manómetro, si éste muestra una presión superior a la normal, quiere significar que las mangueras están sucias. En este caso, deben

limpiarse doblándolas, torciéndolas o golpeándolas suavemente con un martillo, volviendo a dar aire y expulsando así el material alojado en los conductos.

Conectar las mangueras formando el menor número posible de curvas, y a ser posible sin ningún rizo, para ello, las uniones de manguera se asegurarán debidamente.

Comprobar la salida del agua o del aditivo, para los casos de vía seca o húmeda respectivamente, así como el funcionamiento de las bombas, en el caso de que se utilicen. Esta comprobación se hará quitando la tobera de la boquilla y desatrancando, si es preciso, los eyectores de agua o aditivo acelerante a la misma. Esta operación se deberá efectuar con la boquilla hacia abajo, para prevenir que la corriente de agua o aditivo vuelva hacia atrás por la manguera.

Estando funcionando el agua o aditivo se deberá dar entrada al aire comprimido exclusivamente, con lo cual, se examinará el abanico que forma la pistola, viendo inmediatamente si existe algún fallo de suministro en los eyectores, para lo cual, visto éste, se deberá solucionar limpiando o cambiando la boquilla. Si el abanico es débil quiere decir que no hay suficiente presión de aire, en este caso, se deberá incrementar la misma.

El porcentaje de rechazo, en cualquier y situación, depende de:

Relación agua/cemento. Proporción de la mezcla. Gunitador. Tipo de áridos (>Árido grueso => más rebote). Eficacia de la hidratación. Presión del agua o del aire. Diseño y tamaño de la boquilla. Velocidad de la proyección. Capacidad del compresor. Ángulo y distancia del impacto

De la experiencia acumulada se derivan las siguientes consideraciones:

Las especificaciones exigidas al concreto proyectado condicionan el proceso de fabricación del mismo. Cada vez más, se debe controlar la cadena de fabricación, conociendo cada etapa, y mejorando las deficiencias que pudieran presentarse. El concreto proyectado es el resultado de esa cadena y su éxito depende de ello.

Los nuevos proyectos, las nuevas metas, sólo se alcanzarán con el desarrollo continuo de tecnologías y sistemas, pero esas innovaciones deben ser implementadas en la obra.

Obtener una dosificación optima de hormigón proyectado, depende en gran medida del tiempo y medios de que se disponga en las etapas de diseño y pruebas. No obstante, en producción se presentan variables no contempladas en esas etapas previas, por lo que las dosificaciones deben someterse a un seguimiento continuo, mejorando y optimizando el proceso durante la obra.

Siguiendo el orden del proceso, en la fabricación, es aconsejable garantizar un amasado completo y homogéneo de la mezcla. Para ello, una planta equipada con amasadora y dosificadores de aditivo sincronizados con el sistema de carga consiguen los mejores resultados.

Por su parte, el transporte y concretamente el medio empleado, puede influir de forma significativa en el resultado final si no se adoptan las medidas de control correspondientes. Especial atención merecen tanto el estado de las cubas, como el agua que de una u otra forma pudiera añadirse a la mezcla en esta etapa.

La puesta en obra del concreto proyectado es sin duda la diferencia fundamental respecto a otros concretos. Tal y como se ha desarrollado a lo largo del artículo, el personal, los equipos y la organización de los tajos son aspectos críticos del proceso. De la formación y experiencia de los equipos, el empleo de maquinaria apropiada con los nuevos desarrollos y la capacidad de organización y coordinación de los responsables dependerá el éxito de los trabajos

Sostenimiento mediante bulones

El bulonaje es una técnica de sostenimiento que en esencia consiste en anclar en las rocas una barra de material estructural que aporta una resistencia a tracción y, confinando al macizo rocoso, aprovechar las características del mismo, siguiendo la filosofía del NATM.

Un bulón está constituido por un elemento resistente, solidarizado al terreno por un sistema de anclaje y por una placa de reparto.

Efectos del bulonaje

Básicamente la idea es que los bulones anclan o suspenden un tramo de terreno poco resistente a otro más competente, a modo de cosido de la roca. Para lograr este efecto, hay que tener en cuenta que los bulones has de trabajar únicamente a tracción, soportando el peso de los terrenos suspendidos

El máximo peso que puede soportar un bulón, está dado por la expresión:

Donde:

W: peso que puede soportar un bulón F: coeficiente de seguridad (1,5 / 3) S: espaciado transversal de los bulones C: espaciado longitudinal de los bulones h: espesor de los terrenos suspendidos p: densidad de la roca

Criterios de clasificación y tipos de bulones

Los bulones de anclaje puntual o de expansión no pueden ser utilizados en cualquier tipo de roca debido a la dificultad de garantizar el anclaje en rocas muy fracturadas. Por otra parte, la calidad del anclaje depende esencialmente de la buena calidad de la placa base. Además la carga que se consigue con los anclajes de expansión es mucho menor que la resistencia del acero de la barra del perno. Estas dificultades se han eliminado en gran medida con los bulones de anclaje repartidos en los que el anclaje se consigue a lo largo de toda la superficie lateral del perno. Por otra parte, podemos clasificar los bulones por su forma de trabajo en activos y pasivos. En los primeros existe un pretensado de los mismos, donde al colocarlos provocamos artificialmente que entren en carga, de manera que este tipo de bulones entran en servicio inmediatamente tras su colocación. En los segundos, el bulón es instalado sin tensión alguna, y comenzará a trabajar o a entrar en carga cuando existan desplazamientos relativos entre su cabeza y su anclaje, es decir, se activará una vez que existan movimientos en el terreno.

N los bulones anclados por adherencia, el espacio anular que se crea entre la barra del bulón y las paredes del taladro en el que se ancla, se rellena con un mortero que, al fraguar, debe asegurar la adherencia suficiente para solidarizar la barra al terreno o bien por polimerización de una resina. Las resinas o cementos, en ambos casos, se presentan en forma de cartuchos. Los cartuchos tienen una longitud de unos 600 mm y un diámetro de unos 30 mm.

En los anclajes a base de resina, la tensión de adherencia está comprendida entre 4 y 6 Mpa y su procedimiento de colocación es el sig.:

Introducir los cartuchos de resina en el taladro en el que se va a anclar el bulón. Introducir el bulón en el taladro mediante un movimiento de rotación y avance. Al llegar al final del taladro debe mantenerse la rotación, para asegurar la buena

mezcla de la resina y el catalizador, hasta que el polímero salga por la boca del taladro. El tiempo de fraguado es aproximadamente inferior a 2 minutos, pudiéndose regular fácilmente durante la fabricación de los cartuchos.

Probablemente el aspecto más crítico para conseguir un buen anclaje está constituido por la diferencia entre los diámetros del perno y los del taladro. Debe de ser inferior a 10 mm., si no es así la calidad del anclaje no será buena.

Anclaje a base de cemento

Inmersión de los cartuchos de cemento en agua para iniciar su hidratación. Introducción de los cartuchos de cemento en el taladro. Introducción de la barra del perno mediante percusión.

Recomendaciones para la correcta ejecución de túneles en roca

Introducción

La ejecución de un túnel presenta, respecto al resto de las obras civiles, una característica diferencial basada en que las acciones que se deben tener en cuenta en sus dimensiones son difíciles de conocer con precisión; básicamente se asocian a la calidad del terreno en que se excava el túnel. El control de calidad durante la construcción del túnel está condicionado por la falta de espacio para realizar las funciones de control con independencia de las tareas que componen el ciclo de avance, lo cual reviste una dificultad mayor que la del resto de obras civiles. Estas dos circunstancias han sido la causa principal de sonados fracasos en la construcción de túneles en roca por cualquiera de los métodos usados en la actualidad, por ello se proponen una serie de puntos a controlar referentes a la caracterización del terreno y al control de la construcción.

Proyecto de construcción

El objetivo básico del proyecto de construcción de un túnel es evaluar las situaciones de riesgo que pueden producirse durante la construcción y definir las medidas necesarias para afrontarlas con éxito. Durante la construcción de un túnel las situaciones de riesgo vienen originadas por el agotamiento de la capacidad resistente del terreno, por ello se debe caracterizar correctamente el terreno y tener muy claro y definido el proceso constructivo.

Caracterización del terreno

Las experiencias recopiladas por distintos autores, han permitido definir un ratio y un orden de magnitud que sirven de orientación sobre el número de sondeos a realizar. Este ratio es ml de sondeo/ml de túnel y sus órdenes de magnitud son los siguientes:

Ratio = 1, tienen desviaciones presupuestarias inferiores al 20% Ratio = 0,5, tienen desviaciones presupuestarias inferiores al 30%. Ratio < 0,5, tiene desviaciones presupuestarias de hasta el 80%.

De acuerdo con lo anterior, si se desea que las desviaciones presupuestarias durante la construcción sean inferiores al 20%, se debería perforar un metro de sondeo por cada metro de túnel. Pero para asegurarse de que no hay tramos importantes del túnel que no están reconocidos, es recomendable que como mínimo se perfore un sondeo cada 350 metros de túnel. En el caso de túneles construidos en zonas urbanas, donde los cambios laterales del terreno son muy acusados, al menos se debería perforar un sondeo cada 200 metros de túnel para tener un conocimiento del terreno mínimamente razonable.

Para optimizar el coste de una campaña de sondeos es necesario:

Ubicar correctamente los sondeos, para ello se debe planificar correctamente la campaña de investigación, en base a la confección de un modelo sobre las discontinuidades geológicas más importantes. Para ello, resulta imprescindible el estudio de las fotografías aéreas y realizar una cartografía geotécnica a escala 1:1000 del área a reconocer. El empleo de alguna técnica geofísica, es de gran utilidad a la hora de establecer el modelo geo estructural. ‐

Acortar la longitud de los sondeos (Fig. 68), ya que llegar hasta la traza del túnel, muchas veces es innecesariamente costosa y, algunas veces hasta perjudicial.

No contratar a los precios más bajos del mercado, sino que los realicen empresas de reconocido prestigio que proporcione una adecuada relación calidad/precio.

Cada uno de los sondeos debe estar localizado topográficamente y durante la perforación del sondeo resulta imprescindible que:

Controle las incidencias que ocurran. Registren los parámetros de perforación. Esté presente un geólogo que realice una correcta testificación. Realice un correcto informe, que contenga toda la información obtenida.

Definición del proceso constructivo

Se debe de justificar la estabilidad en todas las fases intermedias, ya que las condiciones críticas de estabilidad se dan en algunas de las fases constructivas del túnel y no en su situación final.

Para poder llevar a cabo la comprobación, durante la obra, de la solución proyectada es preciso que en el proyecto se hayan calculado las convergencias que se pueden medir en cada fase constructiva de las Seccione Tipo proyectadas.

Construcción de los túneles

Una de las recomendaciones más importantes que se pueden realizar es que la práctica habitual de autocontrol sea sustituida, por un control externo a la empresa constructora; siempre que el equipo externo de control esté dotado de los especialistas y medios necesarios. En los apartados siguientes se presentan algunos aspectos de la construcción de túneles que deben ser objeto de un control específico, sea cual sea la modalidad de control de calidad que se adopte.

Sobre excavación

En los túneles excavados con tuneladora y en los que la excavación se realiza con rozadoras, el acabado de la superficie es excelente y la roca remanente resulta muy poco alterada. Sin embargo, cuando se utilizan explosivos es mucho más difícil obtener un buen recorte de la sección y no dañar la roca remanente

Elementos de sostenimiento

El sostenimiento previsto para cada Sección Tipo debe ser puesto en obra siguiendo una secuencia constructiva acorde con los establecido en proyecto y debe tener una características resistentes y geométricas bien definidas.

Se debe ir a una colocación automática de bulones ya que la colocación manual, a parte del gran coste en mano de obra, obliga a una vigilancia estricta para poder estar seguros que los bulones se colocan correctamente y que funcionan conforme a lo previsto.

Las cerchas metálicas se deben usar cuando no sea factible bulonar el terreno; lo cual suele suceder para macizos rocosos que presenten un RMR corregido inferior a unos 45 puntos.

A pesar de las mejoras, existen una serie de problemas que se han detectado y que se tienen que solucionar:

Las pruebas para obtener la dosificación del hormigón se deben realizar antes de comenzar la construcción y no en el primer tramo del túnel.

Mejorar la elección del tipo de fibras de acero a emplear, pudiendo optar entre utilizar una dosificación más alta en fibras de menores prestaciones o emplear una dosificación más baja de fibras prestaciones más altas.

Controlar el espesor de hormigón proyectado, mediante la realización de taladros sistemáticos a lo largo del túnel.

El revestimiento de un túnel no desempeña una función estructural y, por ello, su colocación está fundamentalmente orientada a conseguir un acabado de calidad de la obra y, secundariamente, a ejercer una función correctiva ante un posible fallo local en el

sostenimiento del túnel. Por ello, para que el revestimiento desempeñe realmente estas funciones, es preciso tener en cuenta las siguientes consideraciones:

El revestimiento sólo puede ser puesto en obra una vez que se haya constatado que el sostenimiento haya conseguido estabilizar la excavación.

El revestimiento debe ser compatible con el sistema de impermeabilización y drenaje del túnel.

El revestimiento debe ser puesto en obra, una vez que se haya calado el túnel y, a ser posible, sin las interferencias producidas por otros trabajos que se puedan realizar en el interior del túnel.

Control de la construcción de túneles

Durante la construcción de un túnel es necesario comprobar que la respuesta del terreno al realizar la excavación es similar a la prevista en el proyecto

El control de calidad de un túnel debe cumplir un objetivo específico: constatar que durante la construcción del túnel se cumplen las previsiones del proyecto; para, en caso de que no sea así, proponer los cambios necesarios para resolver los problemas que se planteen. Para poder cumplir este objetivo específico es imprescindible, desde el inicio de la construcción del túnel, obtener la mayor información posible sobre el comportamiento de la excavación y analizar esta información para obtener las conclusiones pertinentes. Para mejorar la metodología para el control de la construcción de túneles; se podrán adoptar las acciones siguientes:

El equipo de control tiene que tener la suficiente dotación humana para controlar la obra 24 horas al día.

Establecer una estrecha colaboración entre el responsable de producción y el responsable de control de calidad.

El responsable de control debe realizar, personal y diariamente, la caracterización del terreno, el análisis de las medidas de convergencia y la proposición de las Secciones Tipo a aplicar.

El responsable de control debe tener la capacidad y medios suficientes para conocer cualquier incidente que sea relevante para la estabilidad de la excavación.

El responsable de control debe tener un equipo de apoyo que se encargue de almacenar, representar y analizar la información obtenida durante la excavación del túnel.

El responsable de control debe de estar auxiliado por un especialista con amplia experiencia en la construcción de túneles, que debe estar al corriente del progreso de la construcción del túnel y aportar soluciones para adelantarse a los posibles problemas que se puedan presentar.

Se considera muy conveniente que la empresa que haya sido responsable de la redacción del proyecto de construcción participe en el control de la construcción del túnel.