túneles en carretera durango mazatlán. mario zárate martínez

Facultad de Ingeniería

Programación y Construcción de estructuras Grupo 07

Alumno: Zárate Martínez Mario

Universidad Nacional Autónoma de México Noviembre 2010

Túneles en carretera Durango-Mazatlán

Antes que nada daremos una explicación detallada sobre túneles, y algunas características

así como su construcción y tipos.

Un túnel es una obra subterránea de carácter lineal, cuyo objeto es la comunicación de dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales entre otras cosas. Normalmente es artificial. Un túnel puede servir para peatones o ciclistas, aunque generalmente sirve para dar paso al tráfico, para vehículos a motor, para ferrocarril o para un canal.

Algunos son acueductos, construidos para el transporte de agua (para consumo, para aprovechamiento hidroeléctrico o para el saneamiento). También hay túneles diseñados para servicios de telecomunicaciones.

Incluso existen túneles para el paso de ciertas especies de animales. Algunos conectan zonas en conflicto o tienen carácter estratégico, ya que sirven como refugio como la Montaña Cheyenne. En las grandes ciudades el transporte se realiza mediante una red de túneles donde se mueve el metro. La posibilidad de soterrar ahorra espacio e impide el cruce al mismo nivel del tren con los peatones o los vehículos.

Investigación geotécnica

Es esencial que cualquier proyecto de túnel comience con una investigación sobre las condiciones del terreno. Los resultados de la investigación nos permitirán saber cuál es la maquinaria y los métodos de excavación y sostenimiento a realizar, y podrán reducir los riesgos de encontrar condiciones desconocidas. En los primeros estudios, las alineaciones horizontales y verticales serán optimizadas para aprovechar las mejores condiciones de agua y suelo.

En algunos casos, los estudios convencionales no nos proporcionar suficiente información, por ejemplo cuando existen grandes bolos de roca, discontinuidades como fallas o estratos de terreno más blando como arcillas o limos. Para abordar estos problemas se puede construir un tubo piloto, o un desvío que discurra paralelo al principal. Este tubo puede llegar a ser más fácil de sostener cuando ocurran condiciones inesperadas y podrá ser incorporado en el túnel final. Alternativamente también se pueden realizar pequeños pozos horizontales en el frente del túnel para conocer las condiciones en la excavación.

En el caso de los túneles en roca, dada la variabilidad de los distintos factores que intervienen en la mecánica de rocas, es frecuente abordar su estudio mediante las llamadas clasificaciones geomecánicas, entre las que destaca la clasificación geomecánica RMR.





Construcción

Los túneles se construyen excavando en el terreno, manualmente o con máquinas. Los sistemas habituales de excavación subterránea son medios mecánicos, voladuras y manual:

• Los medios mecánicos mediante minador puntual (rozadora), minador a sección completa o TBM o tuneladora (Tunnel Boring Machine) o con maquinaria convencional (martillo picador, excavadora...)

• Perforación y voladura mediante explosivos.

• Manual, método derivado de la minería clásica del carbón de las cuencas asturianas, en el que los operarios pican con martillo neumático la sección a excavar y otra partida de obreros desescombran manual o semi-manualmente.

Cut-and-cover

El método Cut and cover, que significaría "Cortar y cubrir" en español, es un método de construcción de para túneles superficiales donde se excava desde la superficie la totalidad o parte del hueco que ocupa el túnel, se construye el túnel dentro del hueco a cielo abierto y se cubre una vez terminado. Requiere un sistema de sostenimiento fuerte para soportar las cargas del material que cubre el túnel. Existen dos formas de realizar el cut-and-cover:

Método 'Bottom-up': Se excava a cielo abierto la totalidad del hueco ocupado por el túnel y se construye en el interior. El túnel puede ser de hormigón in situ, hormigón pretensado, arcos pretensados, arcos con acero corrugado y también con ladrillo, que se solía usar al principio.

Método 'Top-down': Este método se encuentra en auge para la construcción de túneles en el interior de las ciudades (túneles de la M-30, Metro de Málaga...). Requiere poca maquinaria especializada, apenas más de la utilizada en la construcción convencional de sótanos. En la superficie, desde la calle, se ejecutan las paredes del túnel cavando una zanja que se hormigona para formar muros pantalla o una hilera de pilotes. Cuando las paredes están terminadas se ejecuta la losa superior, que se apoya en las paredes, excavando sólo el hueco que ocupa la losa y apoyándola durante su construcción contra el terreno. Cuando la losa y las paredes están terminadas, puede reconstruirse la superficie mientras continúan los trabajos en el interior del túnel.

La tierra del interior del túnel no se extrae hasta esta fase, en la que como los elementos portantes del túnel están ya construidos se puede excavar con retroexcavadoras. Cuando se ha excavado hasta el nivel adecuado se ejecuta la contra bóveda, losa generalmente de





hormigón que hace de suelo del túnel. Se pueden crear losas intermedias para realizar túneles de varias plantas.

Tuneladora

Las máquinas tuneladora y los sistemas asociados de retroceso y avance hacen el proceso de excavación más automatizado. Existe una gran variedad de tuneladora en función de las condiciones de puesta en obra, desde roca densa a suelo disgregado y saturado de agua. Algunos tipos de tuneladora son los escudos, topos, dobles escudos...

El récord está en la que se usa para excavar los túneles Base San Gotardo en Suiza que tiene 19 metros.

Referencias

[1] The Groene Hart Tunnel (http:/ / www. hslzuid. nl/ hsl/ uk/ bouw/ ment/ Bored_Tunnel_Groene_Hart/ index. jsp)

[2] El País, 23-01-2005 (http:/ / www. elpais. com/ articulo/ madrid/ tuneladoras/ M-30/ grandes/ mundo/ llegaran/ junio/ elpepuespmad/

20050123elpmad_1/ Tes)

[3] http:/ / www. tudiscovery. com/ extremeengineering/ home. shtml

[4] http:/ / www. adrianlorente. com/ tuneldevielha

[5] http:/ / www. geoconsult. es/ FichaPublicacion. php?Idpublicacion=20

[6] http:/ / www. consejominas. org

[7] http:/ / www. microtunel. com

[8] http:/ / www. aplitop. com/ webaplitop/ producto. aspx?pPro=S& codPro=9& cod=6& paginaRet=1





Ahora ya conocidos estos puntos pasaremos a dar las características de los túneles que se presentan dentro de la gran carretera Durango-Mazatlán

Características Especificaciones del Proyecto

Longitud total 230 km

Número de carriles 1 por sentido y en 8 km 2 carriles por sentido

Sección 12 m

Ancho de carriles 3.5 c/u

Acotamiento 2.5 m

Tiempo de recorrido 2.5 horas

Velocidad de operación 80-110 km/hr

Ahorro en distancia 75 kilómetros

Ahorro en tiempo 3.5 horas

.

Dentro de la obra se tiene que:

Incluye la construcción de 115 puentes con longitud efectiva de 13 kilómetros.

Construcción de 61 túneles con longitud total de 18.5 kilómetros

Dentro de los 61 túneles se tienen 9 de los que se harán inteligentes y los 52 restantes con

el modo de operación normal.





Proyecto

1. Levantamiento topográfico

2. Estudio geológico y geofísico

3. Proyecto geométrico

4. Integración geotécnica

5. Análisis de estabilidad de taludes en los tajos

6. Análisis, definición de fases de excavación y diseño de sostenimientos

7. Análisis y diseño estructural del revestimiento

8. Obras complementarias

9. Proyecto de iluminación y ventilación

10. Especificaciones de construcción

11. Catálogo de conceptos

Objetivos de los estudios preliminares para la obra:

Topografía de detalle

Litología y geología estructural de macizo

Presencia de fallas o discontinuidades importantes

Parámetros geomecánicos, estado tensional macizo

Hidrogeología (obras de drenaje)

Sismicidad (importante para los taludes)

Tramificación geotécnica y procedimientos constructivos (fases de avance y

sostenimiento), métodos de excavación

Plan de instrumentación





Topografía

Levantamiento topográfico:

De detalle en los emboquilles Mínimo a 50 m a ambos lados del eje Altura y geometría de taludes: replanteo del lugar de emportalamiento. Esviaje del

talud frontal Condiciones topográficas del túnel (cobertura)

Estudio geológico

Primera fase:

Literatura e información existente así como fotografía aérea y topográfica

Segunda fase:

Identificación “in situ” de fallas y estructuras geológicas, calidad de roca en superficie (alteración, fracturamiento, orientación discontinuidades, etc.) y modelo geológico preliminar.

Ubicación de perforaciones exploratorias directas y estudios geofísicos.

Tercera fase:

Identificación de diferentes litologías y familias de discontinuidades.

A partir de afloramientos (cañadas, cortes antiguos, etc.)

Levantamiento estructural:

Descripción con detalle de tipo de junta, forma, abertura, relleno, persistencia, rugosidad, alteración, presencia de agua. Etc.

Importantes para:

o Clasificación geomecánica o Estabilidad de bloques en los taludes





o Estabilidad de cuñas en el interior del túnel o Diseño de refuerzo o anclaje

Estudios geofísicos

Usando métodos:

Métodos sísmicos: sísmica de refracción y reflexión Métodos eléctricos: sondeos eléctricos verticales y de frecuencias (SEV y SEF) Métodos electromagnéticos (georadar) Métodos gravímetros

Objetivos de los estudios geofísicos:

I. Conocer la distribución de los diferentes materiales existentes del subsuelo e inferir algunas de sus características de fracturamiento, alteración y compacidad.

II. Determinar los espesores de los diferentes materiales que constituyen el macizo rocoso

III. Espesor del material de baja calidad o descomprimido (zona de portales) IV. Correlacionar datos geofísicos con características litológicas y geotécnicas

Proyecto geométrico

Aspectos que se tomaron en cuenta para la definición de la sección transversal de los túneles:

Tipo y calidad de roca Alineamiento horizontal y vertical, ancho de corona (carriles y acotamientos), galibo y

banquetas. Economía en cuanto a volúmenes de excavación Distribución de esfuerzos en el entorno de la excavación

Aspectos funcionales que influyeron en la definición de la sección transversal:

Número de carriles de la calzada Gálibo y características del trazo Sistemas de iluminación y ventilación Instalaciones de seguridad y de emergencia





Caracterización geotécnica

Tiene como finalidad obtener parámetros geomecánicos para su empleo en el diseño, proyecto y construcción de las obras subterráneas.

a. Rock mass rating o sistema RMR de Bieniawski b. Sistema Q del instituto geotécnico noruego, desarrollado por Barton, Lien y Lunde.

RMR rock mass rating Q índice de calidad del macizo

Resistencia a la compresión simple RQD

Índice de calidad de la roca RQD Jn=número de sistemas de juntas

Separación entre discontinuidades Jr=índice de rugosidad de las fisuras

Estado de las discontinuidades Ja=número de la alteración de las fisuras

Presencia de agua Jw=factor de reducción por la presencia de

agua en las juntas

Corrección por orientación de la

discontinuidad SFR=factor de reducción por esfuerzos

Análisis de estabilidad en los cortes de los tajos de acceso

Consideraciones:

I. Tipo y calidad de roca II. Geometría (pendiente y altura)

III. Volumetría IV. Estabilidad V. Tratamientos





Análisis, definición de fases de excavación y diseño de sostenimientos.

Tipos de falla analizadas:

I. Falla por esfuerzos: ocurre cuando los esfuerzos actuantes (inducidos por la excavación), superan los esfuerzos resistentes propios de las rocas. La roca se plastifica alrededor de la excavación.

II. Falla estructural: ocurre por la intersección de discontinuidades formando bloques, proclives a caer hacia el interior del túnel. La falla puede ser plana o en cuña

Análisis y diseño estructural del proyecto del revestimiento

Se tienen estos puntos:

Interacción entre la estructura (revestimiento) y la masa de roca tanto en el sentido radial como el tangencial.

La masa de roca se encontrará en un estado de completo equilibrio estable antes de ser colocado el revestimiento.

Tipo de carga que actuará sobre el revestimiento. Se considera un revestimiento elástico. Parcialmente embebido en un medio

elástico continuo (macizo rocoso); el envolvimiento no se considera en la totalidad de la estructura debido a que se supone que, en la zona de la clave, es donde se localiza el material aflojado por lo tanto no existe interacción.

La roca circundante restringirá las deformaciones de la estructura, generando presiones pasivas contra el revestimiento.

Se aplica la condición de no tensión entre la masa de roca y el revestimiento. Es decir que en la intercara solamente actuarán esfuerzos normales de compresión y esfuerzos de fricción.

Obra complementaria:

Impermeabilización del túnel, pavimentado y alumbrado así como el sistema de drenaje terminado y pintura.





NOTA: se agradece al M. en I. José francisco Suarez Pino por los datos, y por la explicación en la conferencia: “PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE OBRAS SUBTERRÁNEAS: TÚNELES AUTOPISTA DURANGO-MAZATLÁN”

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