Exploración y Diseño de Túneles: Optimización y Seguridad

Exploración y Diseño de Túneles

1. Diferencias entre Túneles Mineros y Civiles

Los túneles mineros son un medio para acceder a una zona de explotación, mientras que los túneles civiles son un fin en sí mismos. Los túneles mineros suelen tener una vida útil corta, a diferencia de los túneles civiles, que se diseñan para una vida útil extensa. Además, los túneles mineros generalmente presentan una sección reducida, mientras que los túneles civiles suelen tener una sección mayor.

2. Usos de los Túneles en la Antigua Roma

Los romanos utilizaban los túneles como acueductos, alcantarillas, calzadas para el paso de peatones y carruajes, para fines militares, e incluso para drenar lagos. También se utilizaron con fines religiosos, como en la construcción de catacumbas.

3. Primer Concepto Estructural en la Construcción de Túneles

El arco fue el primer concepto estructural utilizado en la construcción de túneles, ya que es una estructura que trabaja a compresión y se puede construir con bloques de piedra o ladrillos.

4. "De Re Metallica"

"De Re Metallica", escrito por Georgius Agrícola en 1556, es un libro que detalla las prácticas mineras de la época. Fue una obra de consulta fundamental durante los dos siglos posteriores a su publicación.

5. Aporte de Karl Terzaghi a la Construcción de Túneles

Karl Terzaghi, considerado el padre de la Mecánica de Suelos, contribuyó significativamente a la comprensión de los fenómenos en túneles con su libro "Theoretical Soil Mechanics" (1943), donde planteó el efecto de arco, permitiendo el diseño científico de las entibaciones. En 1946, también publicó un capítulo en el manual "Rock Tunnelling with Steel Supports", donde presentó una clasificación geomecánica para estimar las cargas sobre las cerchas de acero.

6. Mayor Costo en la Construcción de Túneles

El mayor costo en la construcción de túneles a lo largo de la historia ha sido la pérdida de vidas humanas.

7. NATM (Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles)

El NATM, desarrollado por Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller y Franz Pacher entre 1957 y 1965, aprovecha la resistencia inherente del macizo rocoso circundante para estabilizar el túnel y reducir los requerimientos de soporte.

8. Factores para el Desarrollo Moderno en Túneles

El desarrollo moderno en la construcción de túneles se debe a la comprensión de los fenómenos que permiten sostenerlos con seguridad y al desarrollo de nuevas tecnologías de construcción.

Conceptos Básicos

1. Principio Fundamental del Arco

El principio fundamental del arco es que trabaja a compresión. Se construye con materiales duros y resistentes a la compresión, como rocas y ladrillos. Leonardo Da Vinci fue uno de los primeros en analizarlo.

2. Efecto de Arco en Suelos

El efecto de arco en suelos es la capacidad del terreno sobre un túnel para absorber gran parte de la carga. A unos 3 diámetros de profundidad, la carga sobre el túnel se mantiene constante. Karl Terzaghi fue uno de los primeros en exponer esta teoría.

3. Influencia de un Túnel y Carga Máxima

La influencia de un túnel se considera despreciable a una distancia de 3 diámetros. La carga máxima sobre un túnel se puede estimar a 3 diámetros sobre la clave.

4. Valor de K₀ en Roca a Gran Profundidad

El valor de K₀ en rocas a gran profundidad (sobre 1,000 metros) tiende a 1.

5. Amplificación de Tensiones y Carga de Compresión

La amplificación de tensiones de compresión tangenciales a la pared de un túnel circular en un medio elástico con K₀=1 es el doble del peso del terreno sobre el túnel. A 100 m de profundidad y con un peso unitario de 2.5 t/m³, la carga vertical original es de 250 t/m², y al construir el túnel, la compresión en las paredes aumenta a 500 t/m².

7. Ensayo Triaxial sin Confinamiento

El ensayo triaxial sin confinamiento se denomina ensayo a compresión uniaxial, ensayo de compresión no confinado o ensayo de compresión simple.

8. Tiempo de Autosoporte

El tiempo de autosoporte es el tiempo que un vano libre (el menor valor entre la distancia de avance y el ancho del túnel) se mantiene estable sin desmoronarse ni aplicar soportes. Este valor depende de la calidad de la roca. El concepto fue propuesto por Lauffer en 1958.

9. Fallas Típicas en Túneles en Roca

a) A poca profundidad:

• Caída de cuñas o bloques (rocas de buena calidad)
• Desintegración progresiva o "caving" (rocas de mala calidad)

b) A gran profundidad:

• Reventones de rocas o "rockburst" (rocas de buena calidad)
• Flujo plástico o "squeezing/swelling" (rocas o terrenos de mala calidad)

10. Falla Más Peligrosa en Túneles en Suelos

La falla más peligrosa en túneles excavados en suelos es la falla por la frente o tipo "chimenea", debido a su naturaleza tridimensional, que dificulta su cálculo con métodos convencionales.

11. Información Preliminar del Terreno

Se puede obtener información preliminar del terreno a través de mapas geológicos y topográficos regionales (SERNAGEOMIN e Instituto Geográfico Militar en Chile), fotografías satelitales (Google Earth, LANDSAT, SPOT, IRS) y antecedentes de proyectos cercanos.

12. Construcción del Perfil Geológico de un Túnel

El perfil geológico de un túnel se construye en tres etapas:

• Investigación geológica regional, información topográfica, proyectos cercanos y fotografías aéreas.
• Visita a terreno para recopilar información de afloramientos rocosos, realizar ensayos in situ y medir la orientación de las discontinuidades.
• Sondajes, prospecciones geofísicas, calicatas y ensayos de laboratorio para confirmar las estimaciones previas.

13. Condiciones Geológicas Relevantes para el Estudio de Túneles

• Estructura geológica del macizo
• Características de las discontinuidades
• Resistencia de la roca matriz
• Condiciones hidrogeológicas
• Estado tensional in situ

14. Problemas Asociados a los Portales de un Túnel

En las zonas de los portales, la roca suele estar meteorizada, desconfinada y expuesta al agua, lo que dificulta la construcción. Además, la construcción de los portales requiere cortes en el macizo rocoso, que deben ser analizados y estabilizados.

15. Dirección de Discontinuidades Más Favorable para un Túnel

La condición más favorable para un túnel es tener discontinuidades perpendiculares al eje del túnel y con inclinación vertical.

16. Problemas en Túneles que Atraviesan Sinclinales y Anticlinales

En un anticlinal, las cargas aumentan en los extremos y disminuyen en el centro. En un sinclinal, las cargas aumentan en el centro y disminuyen en los bordes.

17. Exploraciones In Situ

• Mapeos de afloramientos con ensayos in situ
• Calicatas superficiales con ensayos in situ y obtención de muestras
• Sondajes profundos con ensayos in situ y obtención de muestras
• Perfiles geofísicos en profundidad

18. Información Obtenida de los Mapeos de Afloramientos

• Caracterización de las discontinuidades
• Caracterización de la roca madre
• Detección y caracterización de fallas
• Caracterización del entorno

19. Características de las Discontinuidades Relevantes para la Estabilidad de un Túnel

• Orientación
• Separación y RQD
• Persistencia
• Resistencia de la matriz rocosa
• Resistencia al corte de las discontinuidades
• Presencia de agua

20. Ensayos In Situ para Estimar la Resistencia de la Roca Madre

La resistencia de la roca se puede estimar con ensayos como la prueba de la navaja, el martillo de geólogo, el esclerómetro (martillo Schmidt) y el ensayo de carga puntual.

21. Objetivo de los Sondajes y Cantidad Recomendada

Los sondajes permiten obtener información de la estructura geológica, investigar zonas complejas, extraer muestras, y realizar ensayos de permeabilidad, resistencia y deformabilidad. La cantidad de sondajes depende de la longitud del túnel y la complejidad geológica. Se recomienda una longitud total de sondajes del 50% de la longitud del túnel para túneles de más de 1000 m, 75% para túneles de menos de 1000 m, y 100% para túneles de menos de 500 m.

22. Objetivo de las Prospecciones Geofísicas y su Complementación

Las prospecciones geofísicas proporcionan información en forma de planos, a diferencia de los sondajes, que ofrecen información puntual. Permiten cubrir grandes distancias y profundidades, pero deben complementarse con sondajes para calibrar los modelos obtenidos e identificar los estratos prospectados.