Diseño y Construcción de Túneles

A. Historia y Tipología

1. Primeros usos de los túneles

Los primeros túneles fueron de uso minero, hace unos 40.000 años. También se usaron como enterramientos funerarios en el antiguo Egipto y algunas civilizaciones mediterráneas. Posteriormente, se usaron túneles para abastecimiento de agua en Mesopotamia (unos 1.000 años a.C.), en Jerusalén (túnel de Ezequías, año 701 a.C), y el túnel de Eupalinos en Grecia (año 530 a.C.). Se usaron para alcantarillado en Roma (la Alcantarilla Mayor, año 600 a.C.).

2. De Re Metallica

De Re Metallica, escrito por Georgius Agrícola (alquimista, químico, mineralogista y médico alemán) en 1556, recoge con minuciosidad en su texto y grabados las prácticas mineras, siendo un libro básico de consulta durante los dos siglos siguientes a su publicación.

3. Aporte de Karl Terzaghi

Karl Terzaghi, ingeniero austríaco-estadounidense, considerado el padre de la Mecánica de Suelos, escribió el libro Theoretical Soil Mechanics en 1943, que marcó un hito en la comprensión de los fenómenos de túneles ya que plantea el efecto de arco, permitiendo el diseño “científico” de las entibaciones. También publica en 1946, en el manual Rock Tunnelling with Steel Supports, escrito por Proctor & White, y editado por Commercial Shearing and Stamping Co., una Clasificación Geomecánica que permite estimar las cargas sobre las cerchas de acero a partir de la descripción del macizo rocoso. De esa manera une el conocimiento empírico con el conocimiento científico.

4. NATM

El NATM (Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles) fue desarrollado gracias a los trabajos de Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller y Franz Pacher, entre los años 1957 y 1965. La gran característica de este método es aprovechar la resistencia inherente disponible en la masa rocosa circundante al túnel para estabilizarlo y reducir los requerimientos de soporte.

5. Kilómetros de túneles en Chile

En Chile se han construido en total 48 km de túneles para carreteras. En cuanto a túneles mineros, sólo en la mina El Teniente se han excavado más de 3.000 km de galerías subterráneas.

B. Conceptos Básicos

1. Principio del arco

El principio fundamental del arco es que trabaja sólo a compresión, de manera que para su construcción se pueden utilizar rocas y ladrillos; en general, materiales duros y resistentes a compresión.

2. Efecto de arco en suelos

El efecto de arco es la capacidad del terreno sobre un túnel para tomar gran parte de la carga sobre éste, de manera que a unos 3 diámetros de profundidad la carga sobre el túnel permanece constante.

La expresión de Terzaghi para la carga a gran profundidad, para un terreno sin cohesión, es:

p_máx = (g * B) / (2 * K * tan(f))

Siendo:

• g = peso unitario del terreno
• B = ancho del silo de descarga = b + 2 * m * tan(45 - f/2)
• b = ancho del túnel
• m = altura del túnel
• K = coeficiente de empuje en reposo
• f = ángulo de fricción
• p_máx = carga máxima sobre el túnel (el resto lo toma el efecto de arco)

Evaluando para el problema: b = 4 m, m = 5 m, f = 35°, luego el ancho del silo es B = 4 + 2 * 5 * tan(45 - 35/2) = 9,2 m.

Evaluando p_máx, con g = 2,6 t/m³ y K = 1, p_máx = 2,6 * 9,2 / (2 * 1 * tan(35)) = 17 t/m².

3. Influencia de un túnel

A una distancia de 3 diámetros. Según la Clasificación Geomecánica de Terzaghi, la carga máxima sobre un túnel en terreno de mala calidad (Clase 6) es 1,1 * (B * H_t), siendo B = ancho del túnel y H_t = altura del túnel. Eso es alrededor de 2,2 veces el ancho o diámetro de un túnel. En el ejercicio anterior sería 1,1 * (4 * 5) = 22 m (considerando B=4 y Ht=5).

4. Variación de K₀ en roca

El valor del coeficiente de empuje en reposo (K₀) para las rocas normalmente es superior a 1 en la superficie terrestre y se reduce en profundidad, tendiendo a 1. Esto ocurre debido al tectonismo, es decir, al empuje y movimiento de las placas tectónicas de la corteza terrestre.

5. Amplificación de tensiones

En un medio elástico, la amplificación de tensiones para un túnel circular con K₀ = 0,5 es 2,5 veces la carga vertical en las paredes, como tensiones tangenciales. Para reducir este valor, se debería hacer un túnel ovalado con el eje mayor vertical, en cuyo caso la amplificación sería de 1,5 veces.

6. Fallas típicas en túneles en roca

• Cuñas inestables: A baja profundidad o bajas presiones, y en rocas de buena calidad.
• Derrumbamiento progresivo o "caving": A baja profundidad o bajas presiones, y en rocas de mala calidad.
• Reventones de roca: A gran profundidad o grandes presiones, y en rocas de buena calidad.
• Roca plastificada, muy deformable o hinchable (squeezing rock y swelling rock): En terrenos de mala calidad a grandes presiones y en presencia de agua.

7. Influencia del agua

El agua deteriora la roca o el suelo, arrastra el material fino, genera presiones intersticiales reduciendo la presión efectiva y, con ello, las fuerzas de roce entre bloques. Genera también la presión hidrostática sobre los soportes o el ingreso de grandes volúmenes de agua al interior del túnel, que actúa como un dren, con arrastre de material suelto.

8. Tiempo de autosoporte

Es el tiempo que se mantiene estable el avance sin soporte o el ancho del túnel (el valor menor).

C. Caracterización Geotécnica

1. Construcción de un perfil geológico

Se construye mediante tres etapas:

1. Gabinete: Investigación geológica regional, información topográfica regional, proyectos cercanos, fotografías aéreas.
2. Campo: Recopilación de información de afloramientos rocosos en la superficie del trazado, ensayos in situ y mediciones de orientación de las principales discontinuidades, y calidad general del macizo rocoso.
3. Confirmación: Sondajes, prospecciones geofísicas, calicatas y ensayos de laboratorio, que confirmen las estimaciones efectuadas con anterioridad.

2. Variables geológico-geotécnicas relevantes

• Estructura geológica
• Características de las discontinuidades
• Resistencia de la roca matriz
• Condiciones hidrogeológicas
• Estado tensional

3. Problemas en portales de túneles

En las zonas de los portales se encuentra roca meteorizada, roca desconfinada y agua circulando sobre la roca sana. Existen problemas de inestabilidad de suelos, incluso en las laderas (estabilidad de taludes), y problemas de drenaje.

4. Problemas generados por fallas

Las fallas (discontinuidades mayores) se asocian a problemas de mala calidad del terreno entre las paredes de la falla o sus cercanías, rellenos de otra naturaleza y calidad, presencia de agua (habitualmente a grandes presiones y caudales), y cambio brusco de las condiciones resistentes de la roca y sus requerimientos de soporte.

5. Información en fase de gabinete

Se obtiene de la bibliografía pública de proyectos cercanos, instituciones estatales o privadas que realizan mapas geológicos regionales (en Chile, SERNAGEOMIN), mapas topográficos regionales (Instituto Geográfico Militar, Global Mapper), y fotografías satelitales (Google Earth, LANDSAT, SPOT, IRS).

6. Sondajes en un túnel

Recomendaciones:

Ensayos realizables:

• Definición de estratigrafía y orientación de estratos
• Ensayos de resistencia
• Medición de fracturamiento (RQD), calidad de las fracturas
• Medición de presencia de agua
• Medición de permeabilidad del terreno
• Ensayos geofísicos
• Medición de deformabilidad (presiómetros)

7. Características de discontinuidades

Características obtenibles en afloramientos:

• Tipo de roca (litología)
• Tipo de discontinuidades, número de familias
• Grado de fracturamiento y meteorización (RQD), (GSI)
• Resistencia de la roca matriz
• Espaciamiento de discontinuidades
• Continuidad o persistencia
• Orientación de discontinuidades
• Resistencia al corte de las discontinuidades
• Abertura y relleno de discontinuidades
• Rugosidad de las discontinuidades, resistencia de las paredes
• Filtraciones en las discontinuidades

Ensayos de resistencia in situ: navaja, martillo de geólogo, esclerómetro (martillo Schmidt), y ensayo de carga puntual.

8. Prospección geofísica

Las prospecciones geofísicas entregan planos de información, a diferencia de un sondaje, que entrega información puntual. Permiten cubrir grandes distancias y profundidades, pero sin la claridad de un sondaje. Detectan zonas rocosas de calidad semejante y singularidades importantes (fallas). Tipos:

• Métodos eléctricos (resistividad)
• Métodos sísmicos (refracción o reflexión)
• Métodos electromagnéticos
• Métodos gravimétricos

9. Objetivos en la construcción de túneles

Romper la roca eficientemente y evitar el colapso de la excavación se consigue mediante una excavación cuidadosa (tronadura controlada), cortando la roca uniformemente sin dañarla demasiado, y manteniendo el contorno con formas suaves.

Problemas

1. Carga en túnel circular

La carga vertical (p₀) será: p₀ = g * H, donde g = 2,7 t/m³ y H = 2.500 m. Entonces, p₀ = 2,7 * 2.500 = 6.750 t/m² = 67,5 MPa.

La compresión máxima en las paredes es 2,5 veces la carga vertical: p_máx = 2,5 * p₀ = 2,5 * 67,5 = 169 MPa.

Considerando una resistencia a compresión uniaxial del basalto de 80 MPa, la profundidad de falla (H) se calcula: 80 = 2,5 * 2,7 * H, por lo tanto, H = 80 / (2,5 * 2,7) = 1.185 m.

Si K₀ = 1, la compresión máxima sería 2 * p₀ y la profundidad de falla sería H = 80 / (2 * 2,7) = 1.481 m.

2. Carga en bóveda de túnel

Según Terzaghi:

p = g*Z-(g*B-c/B)*(1-exp(-2*K*Z*tan(f)/B))

Donde:

• B = 2,5 + 7 * tan(45 - 34/2) = 6,2 m
• g = 2,6 t/m³
• c = 0
• f = 34°
• K = 1
• Z = 40 m

La carga calculada es de 23,7 t/m². Para anular la carga sobre el techo, c = g * B, entonces c = 2,6 * 6,2 = 16,12 t/m².

3. Carga según clasificación de Terzaghi

Para roca de mala calidad (Clase 5), la carga varía de 0,35 * (B + H_t) a 1,10 * (B + H_t). Siendo B = 5 m y H_t = 6 m, la carga máxima sería 1,10 * (5 + 6) = 12,1 m de roca, equivalente a 2,6 * 12,1 = 31,5 t/m².

Mala calidad se define por:

• Elevado fracturamiento
• Baja resistencia de la roca madre
• Bajo rozamiento entre bloques o partículas
• Presencia de agua
• Elevada meteorización

4. Peligro en roca de buena calidad

El peligro sería la caída de grandes bloques de roca, debido a la presencia de varias familias de discontinuidades y una orientación desfavorable.

5. Variación de propiedades y objetivo de la caracterización

Según Bieniawski y el GSI:

• Ángulo de fricción: > 45° (roca sana) a < 15° (roca de muy mala calidad)
• Cohesión: > 0,4 MPa (roca sana) a < 0,1 MPa (roca de muy mala calidad)

El objetivo de la caracterización geomecánica es estimar la resistencia de la masa rocosa (c, f).