INTRODUCCIN

El tnel arranca de la necesidad de superar un obstculo natural, generalmente un macizo montaoso. Pero adems de la montaa existen otras barreras que se pueden salvar mediante tneles como los cursos de agua, fluviales o marinos, y las zonas urbanas densamente edificadas en las que a menudo se incorporan tneles. Entre los usos ms frecuentes pueden enumerarse los tneles para vehculos, para redes de ferrocarril urbano o Metros, para uso peatonal, para abastecimiento de agua, saneamiento, galeras de servicio y para almacenamiento de residuos.

Mtodos de Excavacin

El Mtodo Ingls: recibe su nombre por haber sido aplicado en tneles a travs del tipo de terreno que usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arcillas y areniscas. Su principal caracterstica es proceder el avance de la perforacin a seccin completa del tnel, en una sola operacin.

El Mtodo Alemn: este sistema fue utilizado por primera vez en 1803 para construir el tnel en elCanal de San Quintn, y desarrollado por Wiebeking en 1814, siguiendo el sistema de ncleo central, tambin empleado en la construccin de las amplias bvedas de cerveza de Baviera.

El Mtodo Alemn Modificado: se aplica en el caso en que durante la operacin de perforacin del tnel, a travs de un terreno bastante firme, surja la aparicin de agua, lo que origina una alteracin en el Mtodo Clsico Alemn en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente.

El Mtodo Belga: se basa en los principios que permitieron la construccin, en 1828 del tnel de Charleroi en el Canal que enlaza Bruselas y Charleroi.

El Mtodo Austriaco: los austriacos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilizacin de puntales de madera formando un sistema de entibacin.

Imagen tomada del libro Geotecnia Aplicada a la Construccin de Tneles

Reconocimiento del Terreno

La seleccin del mtodo constructivo de un tnel viene regida por una serie de factores de diversa ndole: Unos geotcnicos, en cuanto a las caractersticas del terreno, lo que puede condicionar el aplicar un mtodo u otro. Otros econmicos, en cuanto a la posibilidad de utilizar mtodos en que se necesita una importante inversin, como en el caso de las tuneladoras. Otras sociales y medioambientales, en cuanto a la seguridad del mtodo, la afeccin al entorno, la presencia de obstculos naturales y artificiales (ros, pozos, cimentaciones existentes, minas, etc.).

En el caso de rocas hay tres factores predominantes a la hora de seleccionar el proceso constructivo y dimensiones del sostenimiento:

La presencia de fallas y accidentes, as como la posibilidad de su tratamiento previo a la excavacin en los mismos. No basta decir que se pedir una tuneladora que permitir los tratamientos. La disposicin radial de los huecos que permitan las perforaciones tiene que ser tal que los taladros no estn muy separados en la zona de tratamiento.

La existencia de agua y/o gas a presin. Es necesario estimar esa presin y los caudales previstos y el contenido de metano y exano de los gases (por si pueden originar deflagraciones), ya que pueden hacer inviables algunos sistemas constructivos y obligan a tratamientos especiales. Sobre la presin del agua se discute mucho y, en algunos tneles, se le llega a adjudicar alturas de agua muy importantes y presiones elevadas que, despus, son ms pequeas. De todas formas, los golpes de agua y arena pueden enterrar maquinara importante. En estos casos, la congelacin previa del agua del terreno puede dar magnficos resultados.

Imagen tomada del libro Geotecnia Aplicada a la Construccin de TnelesMARCO TERICO

EL MEDIO

El medio (es decir, el terreno) es en la prctica el verdadero "material de construccin" de un tnel, es extremadamente anmalo en comparacin con los materiales tradicionales utilizados en la ingeniera civil: es discontinuo, no homogneo y anisotrpico. En la superficie, sus caractersticas varan, pero esto depende exclusivamente de su propia naturaleza intrnseca (consistencia natural), que condiciona la morfologa de la corteza terrestre, mientras que en profundidad sus caractersticas tambin cambian en funcin de los estados de estrs a los que est sujeto (consistencia adquirida) y esto condiciona su respuesta a la excavacin.

En su estado natural, el medio aparece con las caractersticas de su propio tipo de coherencia, sin embargo, cuando se aborda la construccin subterrnea, en la que se est sujeto a las tensiones que aumentan con la profundidad, tiene una consistencia que vara en funcin de la entidad y la anisotropa de del flujo de tensiones (consistencia adquirida). La forma en que la consistencia del medio vara en funcin de su estado tensional es estudiado por medio de ensayos triaxiales en muestras y es descrita por la curva intrnseca y los diagramas de tensin - deformacin.

Tres zonas caractersticas pueden ser identificadas durante el avance del tnel en un tnel sin revestimiento.1. Una zona inalterada, donde la masa de roca todava no est afectada por el paso de la cara.2. El frente del tnel o zona de transicin, lo que corresponde al radio de influencia del frente, en los que su presencia tiene un efecto considerable.3. Una zona de estabilizacin, donde el frente ya no tiene ninguna influencia y la situacin tiende a estabilizarse (si es posible).

Es importante observar que en el paso de la zona inalterada a la zona de estabilizacin, el medio pasa de un estado triaxial a un estado de tensin planar y la zona del frente es donde esta transicin tiene lugar.

En consecuencia, esta es la zona ms importante para el ingeniero de diseo. Es aqu donde la accin de la excavacin altera el medio y es en esta zona donde toda la atencin del ingeniero de diseo debe estar centrada para el estudio adecuado de un tnel. No es posible lograr esto sin que se empleen mtodos de anlisis dimensional.

LA ACCIN

La accin es todo el conjunto de operaciones realizadas para excavar la roca. Se ve en el avance de la cara a travs del medio. Por tanto, es un fenmeno claramente dinmico: el avance de un tnel puede ser imaginado como un disco (la cara) que pasa a travs de la masa de roca con una velocidad V, dejando un espacio vaco detrs de l. Se produce una perturbacin en el medio, tanto en sentido longitudinal como transversal, que altera los estados tensionales originales.

Dentro de esta zona perturbada, el campo original de tensiones, que pueden describirse mediante una red de lneas de flujo, es desviado por la presencia de la excavacin y se concentra en las proximidades, produciendo un aumento de la tensin, o, para ser ms preciso, un aumento en el flujo de tensiones. El tamao de este aumento determina la amplitud de la zona perturbada para cada medio (en el que el suelo sufre una prdida de las propiedades geomecnicas con un posible incremento en el volumen) y, en consecuencia, el comportamiento de la cavidad en relacin con la fuerza de la masa rocosa.

El tamao de la zona perturbada en las proximidades de la cara se define por el radio de influencia de la cara, que identifica el rea en la que el ingeniero de diseo debe centrar su atencin y en la que se produce el paso de un estado de tensin triaxial a un estado de tensin plana.

TENSIONES EN TORNO A EXCAVACIONES

A la hora de plantear la construccin de un tnel, necesitamos conocer el estado de tensiones al que se encuentra sometido el terreno objeto de la excavacin. Hemos de tener en cuenta que la construccin de un tnel, modifica el estado de tensiones, de manera que se genera un desequilibrio en el momento de abrir la excavacin y que dicho desequilibrio puede provocar que el terreno colapse entorno al tnel.

Estado de tensiones in situ

Para empezar, podemos plantear dos maneras de obtener el estado de tensiones de forma sencilla:

I. Una primera hiptesis sera asumir que la deformacin lateral es nula. Si asumimos que no existe deformacin en el plano perpendicular al eje de gravedad se tiene que:

Esto nos conduce a que las tensiones x, y las podamos hallar a partir de z:

Siendo:

Donde:

II. Por otro lado, podemos establecer una segunda hiptesis: podemos asumir recubrimientos muy fuertes (debido al confinamiento) que conducen a estados de tensiones hidrostticos en los que no se admiten tensiones tangenciales:

Esta hiptesis se afianza a medida que aumenta la profundidad. Pero, la mayora de los tneles que se proyectan y llevan a cabo se sitan en profundidades inferiores a 500 m.

Estado de tensiones y resistencia de macizos rocosos

El problema de hallar el estado de tensiones entorno a una cavidad abierta de forma artificial como es un tnel, ha hecho que sean numerosos los autores interesados en encontrar soluciones ha dicho problema. De todas las posibilidades que presenta este reto, la ms sencilla de todas, y que simplifica enormemente los clculos es la de resolver este problema analticamente suponiendo medio elstico e istropo, tnel profundo, de seccin circular y en deformacin plana.

Imagen tomada del libro Geotecnia Aplicada a la Construccin de Tneles

Como se puede apreciar, la solucin obtenida es independiente de las constantes elsticas y del tamao de la excavacin. En otras palabras, es indiferente excavar el tnel en una litologa o en otra y no importa si el dimetro de la cavidad es de pequeo o de gran dimetro. Evidentemente, este resultado es del todo inaceptable desde un punto de vista ingenieril, pues la experiencia nos ha demostrado que en realidad esto no es as.

En primera aproximacin, da una idea de que las tensiones no estn controladas por las caractersticas del material sino por la geometra del tnel. Este hecho, que aparentemente es irrelevante, resulta de vital importancia y nos ser muy til a la hora de proyectar un sostenimiento.

Dado que la geometra va a ser importante nos interesar conocer, para un caso concreto (por ejemplo: seccin circular), cmo es el estado de tensiones entorno al tnel, si son tensiones de compresin o de traccin, de qu magnitud, etc.

En definitiva, podemos adaptar la forma de la seccin de excavacin al estado de tensiones pero a la prctica nadie disea as los tneles. Quiz para un caso muy concreto podra llevarse a cabo, pero carece de sentido el ir modificando la seccin en funcin de las caractersticas de las litologas que vamos atravesando.

RESISTENCIA DE LA ROCA MATRIZ Y MACIZOS ROCOSOS

En el punto anterior hemos visto cmo tratar de determinar las tensiones en torno a una excavacin. En este apartado nos ocuparemos de ver qu tensiones son capaces de resistir tanto la roca matriz como el macizo rocoso utilizando criterios de rotura. Adems, veremos cmo influir uno u otro factor de forma determinante dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el tnel, pues esto condicionar el mecanismo de rotura.

Debemos hacer una distincin entre tneles someros y tneles profundos en roca a la hora de hablar de resistencia. El factor que nos preocupar a la hora de proyectar un tnel somero en roca vendr marcado por la estructura, grado de alteracin de las juntas y discontinuidades del macizo rocoso. Por tanto, cuando hablemos de resistencia nos estaremos refiriendo a la resistencia del conjunto del macizo rocoso.Para el caso de tneles profundos en roca, ser el estado de tensiones el que nos preocupar y consecuentemente cuando hagamos referencia a la resistencia nos estaremos refiriendo a la roca matriz.

Investigacin experimental sobre la roca matriz

Son numerosos los ensayos que nos permiten obtener los parmetros de resistencia de la roca matriz. Podemos citar los ms conocidos:

Imagen tomada del libro Geotecnia Aplicada a la Construccin de Tneles

Criterio de rotura para la roca matriz

Existen diversos criterios de rotura. Los ms conocidos son el de MohrCoulomb que es de tipo lineal y el criterio de Hoek & Brown que es de tipo cuadrtico. El primero se suele utilizar mucho en suelos, mientras que el segundo tiene una amplia difusin en rocas.

Este ltimo ser el criterio de rotura que nosotros utilizaremos. Se basa en ideas de Griffith (propagacin de fisuras) y tiene la siguiente expresin: donde c es la resistencia a compresin simple de la roca matriz y los parmetros m y s son constantes que se determinan experimentalmente y que son funcin de la calidad de la roca.

Imagen tomada del libro Geotecnia Aplicada a la Construccin de TnelesJuntas en el macizo rocoso

Una vez analizado el comportamiento para la roca matriz, nos ocuparemos del macizo rocoso, de la importancia de la existencia de fracturas, y de cmo la disposicin de estas, as como su nmero y continuidad determinan decisivamente su resistencia.

De la misma forma que hicimos para la roca matriz, ahora nos interesa tener un criterio de rotura para el conjunto del macizo rocoso, es decir nos interesa una funcin de que dependa de las tensiones principales.

En resumen, el inters demostrado en hallar los valores de m y s se debe a que gracias a ellos podremos determinar un criterio de rotura tanto para la roca matriz como para el macizo rocoso. Estos sern fcilmente deducibles conociendo previamente el ndice de calidad de la roca y su pertenencia a una litologa concreta.

BIBLIOGRAFA

Navarro S. & Ortiz R. & Ruiz J. (2006). Generalidades en la Geotecnia de Tneles. Geotecnia aplicada a la construccin de tneles. Gavilanes H. & Andrade B. (2007). Introduccin a la ingeniera de tneles. Caracterizacin, clasificacin y anlisis geomecnico de macizos rocosos.