04/07/2012

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Universidad Nacional de San Agustn Facultad de Ingeniera Civil

TUNELES

Autor:

Ing. Salom G. Chacn Arcaya

Contenido

1. Definicin de tnel

2. Introduccin

3. Utilizacin de los tneles

4. Objetivos de un estudio de tneles

5. Mtodos constructivos de tneles en

suelos

6. Mtodos constructivos de tneles en

rocas

Contenido

7. Mtodos de diseo

8. Refuerzo y Soporte

9. De que depende la eleccin del mtodo

constructivo

10. Investigaciones in situ

11. Desafos en los estudios de tneles

12. Metodologa de los estudios geolgicos

geotcnicos para tneles.

Un tnel es una perforacin en el terreno

aproximadamente horizontal, en la que domina la

longitud sobre las dems dimensiones.

Normalmente es artificial .

1. Definicin de tnel

2. Introduccin

Uso del espacio Subterrneo:

Factores Positivos

Crecimiento de la poblacin urbana (despus 2da.

Guerra Mundial) nfasis en el transporte

Era Ambiental (despus 1960)

Mejor entendimiento del comportamiento de

tneles (aos 70 a 80)

Avances tecnolgicos de equipos (aos 90)

Vivienda Uso

Pblico

Utilidades

Pblicas Transporte

Uso

Industrial

Presas,

Minera y

cavernas

Trabajo

Demanda del uso del

espacio Subterrneo

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Volumen de material

excavado (Impactos

Ambientales)

Costos

Accidentes durante la obra

Accidentes durante la

operacin (fuego)

Dificultades en la toma

de decisin

Costo elevado de los espacios de superficie

Impactos negativos de obras de superficie

Desvalorizacin de las reas prximas las obras superficiales (infraestructura)

Factores Favorables

El aprovechamiento del espacio subterrneo

constituye en la actualidad una de las alternativas

ms idneas para el desarrollo de vas rpidas de

comunicacin, presenta cada vez mayores ventajas,

tanto desde el punto de vista medio ambiental como

funcional (acortamiento de distancias, seguridad,

menor impacto ambiental, etc.).

A pesar de su mayor costo con respecto a otras

soluciones de superficie.

1. Antiguamente

3. Actualmente

2. Moderna

3. Utilizacin de Tneles

1.- Antiguamente: Primeras Actividades humanas

- Tneles naturales

- Drenaje de trabajos de minera

- Suministro de agua y construccin de carreteras

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Desde la antigedad el hombre a construido diversas

cavernas, tneles y galeras para el transporte de

agua, extraccin de minerales, fines religiosos y

militares;

Excavacin: uso de instrumentos manuales, agua y

fuego;

Sostenimiento: construccin en subsuelo competente,

uso de piedras naturales y ladrillos;

Egipto y Mxico (cmaras subterrneas);

La mina ms antigua conocida en los registros

arqueolgicos es Lion Cave (Cueva del Len), 43 000

A.C. en Swazilandia (frica) para la extraccin de

hematita;

Quanats, en Irn (2800 A.C), tneles para conducir

agua de los acuferos de las tierras altas a la superficie

por medio gravitacional; Irrigacin, agua potable;

160km todava funcionales;

Tnel bajo ro Eufrates (2500 A.C.), y otros

tneles;

hidrulicos en Mesopotamia;

Tneles en India y China (templos

religiosos);

Tneles (acueductos) en Jerusaln (700

A.C.);

Tnel (acueductos) en la isla de Samos (600

A.C.);

Tneles para acueductos, catacumbas,

Imperio Romano;

2.- Moderna

A partir del siglo XIV se desarrolla la tecnologa de tneles para

minera (equipos de perforacin);

Uso de tcnicas de voladura (introduccin de la Plvora) a partir

del siglo XVII (Hungria, 1627 y Mina en Harz (Alemania, 1623);

Tneles (Canales) para el paso de embarcaciones, principalmente

en Francia (uso de voladura);

Importante desarrollo en el siglo XIX impulsado por la

construccin de tneles para caminos;

Primero Tnel bajo el Ro Tamisa (Inglaterra) para fines viales.

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Brunel patenta en 1818 la primera

maquina tuneladora (shield);

Forma rectangular 7m x 12m, 12

prticos separados, 3 niveles de

trabajo, excavacin manual, maquina

impulsada por husos;

La construccin tard varios aos (el

avance promedio era de 25cm/da) y

lleg ser interrumpida por 7 aos

debido a los varios accidentes

catastrficos ocurridos;

Shield de Brunel (1818):

Construccin de ferrocarriles en Europa impulsa ms la

construccin de tneles;

Introduccin de voladura con dinamita, 1846

Tcnicas de excavacin, sostenimiento y maquinaria, provenientes

principalmente de la minera.

Beamont

En paralelo, se desarrolla la excavacin

mecanizada:

1847-1851: primer prueba de excavacin mecanizada en la Sardea

(0,25m/da);

1870: primer maquina de excavacin a frente completa en Inglaterra

(1.25m/da);

1881: Cruce del canal de la mancha con maquina tuneladora de

Beamount (25m/da);

Priace

Wohlmeyer

Grande desarrollo despus de la

primera guerra mundial con aumento

de dimetros de excavacin y

consumo de energa (motores

elctricos);

1906: TBM de Price con cabeza de Corte;

1958: TBM de Wohlmeyer con 5

fresas;

1970: maquinas de excavacin

puntual (rozadoras)

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Desarrollo del espacio Subterrneo:

Desarrollo de la tecnologa y condiciones de seguridad;

Mejor comprensin del comportamiento del subsuelo;

Mayores restricciones del uso superficial de la tierra;

Proteccin ambiental (menor impacto en la naturaleza y

calidad de vida);

Razones topogrficas;

Beneficios sociales.

3.- Actualmente: Fines Similares Actualmente: Fines Similares

a) T. Viales

- Carreteras

- Ferrocarriles

- Metros

b) T. Hidrulicos

- Aduccin de agua

- Conductos subterrneos Forzados

- Sanitarios

- Desvo de ros

- Refrigeracin de Centrales Nucleares

c) Cavernas

- Centrales Elctricas Subterrneas

- Estaciones Subterrneas de Tratamiento de Agua

- Refugios y Almacenes Subterrneos

- Cavernas para Detonaciones Subterrneas

- Estaciones de Pasajeros

- Fbricas e Industrias

- Centrales Trmicas

- Para Residuos Nucleares

a) Tneles Viales

Tneles carreteros: Trnsito de peatones o

ciclistas, para vehculos a motor;

Tneles ferroviarios;

Tneles en canal: Unir cuencas hidrogrficas

vecinas, para transportar agua (para consumo,

para centrales hidroelctricas o como cloacas),

por medio de canales, o para atravesar elevaciones

topogrficas importantes;

Tneles submarinos;

La explotacin de minas subterrneas;

Conducir otros servicios como cables de

comunicaciones, tuberas, etc.

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Dentro de la amplia variedad de usos del espacio

subterrneo, gran parte de los tneles se

excavan para infraestructuras del transporte,

basndose su diseo en la seguridad y la

economa.

Los estudios geolgicos-geotcnicos son

absolutamente necesarios para poder proyectar

y construir una obra subterrnea.

Las excavaciones subterrneas estn estrechamente

relacionadas con la energa y los recursos minerales

(aprovechamientos hidroelctricos, centrales,

explotaciones mineras, almacenamientos

subterrneos, etc.).

Pero la mayora de los tneles se construyen

tambin para salvar un obstculo natural y permitir

el acceso a vas de comunicacin para transporte

urbano (metros), transvases y conducciones; o para

unir islas o estrechos y para pasos fluviales, en cuyo

caso el trazado se efecta bajo una lmina de agua.

Condiciones geolgicas, geotcnicas e hidrogeolgicas

del trazado.

Identificacin de puntos singulares o zonas de mayor

complejidad geolgica, hidrogeolgica y geotcnica.

Clasificacin y sectorizacin geomecnica,

propiedades y parmetros de diseo del macizo

rocoso.

Criterios geomecnicos para el clculo de

sostenimientos y mtodos de excavacin.

4. Objetivos de un estudio de tneles

Emplazamiento, excavacin y estabilizacin de

boquillas y accesos intermedios.

Recomendaciones para la excavacin,

sostenimientos y proceso constructivo del tnel.

Tratamientos del terreno para la estabilizacin,

refuerzo, drenaje o impermeabilizacin del

terreno.

2. Objetivos de un estudio de tneles

5. Mtodos constructivos de tneles

en suelos

Cut-and-Cover

Mtodos

Tuneleros

Excavacin Secuencial

(NATN)

Tuneladora (TBM)

Convencional

Sumergido

Cut and cover x tunel VCA CONVENCIONAL / VCA INVERTIDA

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Perfil metlico y planchas de madera VCA INVERTIDA

Cut and cover x sumergido

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Mtodos Tuneleros en Suelo: Desafi Estabilidad de la seccin y abertura

Excavacin Secuencial (NATM)

Excavacin Mecanizada (Tuneladora)

TBM de Face Abierta

TBM de Face Cerrada

TBM de Face Presurizada

Metodos Secuenciales de Avance

mtodo alemn

mtodo italiano

mtodo belga

mtodo ingles

mtodo sueco

mtodo austriaco

Excavacin Mecanizada (Tuneladora)

Baha de

Tokio

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TBM duplo

6. Mtodos constructivos de tneles

en roca

Mtodos

Tuneleros

Excavacin a Fuego

TBM de Seccin Plena

TBM de Seccin Parcial

Excavacin a fuego

TBM rocas

desafi cabezas cortantes Ejm:

tneles

Alpinos

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1.- Analticos

2.- Interaccin Soporte-Terreno

3.- Empricos

7. Mtodos de diseo 1.- Analticos

Usan el anlisis de esfuerzo - deformacin alrededor de

la excavacin. Se basan en Tcnicas Numricas como:

- Mtodo de Elementos Finitos.

- Mtodo de Elementos Discretos.

- Mtodo de Elementos de Borde, etc.

Obtenindose zonas delimitadas de esfuerzos superando

la resistencia de la roca y por tanto requieren refuerzo

PHASE 2

2.- Observacional

Fundamentado en mediciones instrumentales del

comportamiento del tnel, despus de la

excavacin y en el anlisis de la interaccin

soporte terreno; siendo el exponente mas

destacado, el Nuevo Mtodo Austraco de Tneles

(NATM)

NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA (N.A.T.M.)

PRINCIPIO :

La transformacin de la roca circundante al tnel en un

miembro activo del sistema de soporte

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DESFAVORABLE

MUY DESFAVORABLE

Dip: 45 - 90

DESFAVORABLE

Dip: 20 - 45

FAVORABLE

1: LA PARTE MAS IMPORTANTE DE LA ESTRUCTURA DE UN TUNEL ES LA MASA

ROCOSA CIRCUNDANTE.

PRINCIPIOS BASICOS DEL NATM

3.- Empricos

- Mtodo de diseo de excavaciones

- Clculo de los ndices de clasificacin

- Recopilacin de experiencias

- Utilidad de los sistemas existentes

- Creacin de nuevos sistemas de clasificacin ?

- Cundo aplicar estos sistemas ?

- En que casos su aplicacin es discutible ?

Se basan en la experiencia adquirida en obras similares.

Siendo la Clasificacin Geomecnica de macizos rocosos el

enfoque emprico mas ampliamente usado en el mundo para

evaluar la estabilidad de obras subterrneas

Tcnicas usadas en las Clasificaciones

geomecnicas A) Scan Line B)Ventana o Window

Clasificaciones Geomecnicas

RMR, Bieniawski

GSI, Hoek et all

MRMR, Laubsher

Q, Barton et all

RMi, Palstrom

BI, Lilly

Rabcewics-Pacher (1957)

RMR, Bieniawski (1974, 1989)

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8. Refuerzo y Soporte

REFUERZO

(Reinforcement)

SOPORTE

(Support)

ELEMENTOS DE REFUERZO:

SPLIT SETS

SWELLEX

PERNOS CEMENTADOS

PERNOS HELICOIDALES

VENTAJAS:

Aumentan el tamao efectivo de los bloques.

Forman un arco compresivo por encima de la corona.

Suspenden bloques sueltos.

DENTRO DE LA

REFUERZO

REFUERZO REFUERZO

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REFUERZO REFUERZO

REFUERZO REFUERZO

REFUERZO

ELEMENTOS DE SOPORTE:

SHOTCRETE

GATAS A FRICCION

CUADROS DE MADERA

PAQUETES SUDAFRICANOS (WOOD PACKS)

MALLA ELECTROSOLDADA

CIMBRAS OMEGA

CERCHAS DE PERFIL

VENTAJAS:

CONTROLAN DESPRENDIMIENTOS DE LA SUPERFICIE DE LA ROCA.

FORMAN UNA SUPERFICIE MS AMPLIA PARA DISTRIBUIR CARGAS.

FUERA DE LA

SOPORTE

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SOPORTE

Colocacion del Shotcrete con refuerzo de Malla de Alambre SOPORTE SOPORTE

Cimbras

Construidos en galeras y

accesos principales.

En zonas de alta inestabilidad

y/o techos muy elevados.

Son arcos de acero tipo H,

estructuras de alta resistencia

Dimensiones: 6mx4m, 5mx4m,

con espaciados entre 1.0 m y

1.5m, vaciados con concreto.

SOPORTE