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TOPOGRAFÍA APLICADA

A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N

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El verdadero detonante de la cons-trucción de túneles, fue el ferroca-rril, cuya aparición en el primertercio del siglo XIX, obligó a losingenieros de entonces al proyectoy ejecución de túneles para podersalvar los obstáculos naturales.Actualmente, tanto la construcciónde los ferrocarriles de “AltaVelocidad” como las condiciones

específicas de las autopistas yotros tipos de obras, exigen laconstrucción de túneles a lo largode su trazado.

CARACTERÍSTICAS DELPROYECTO DE UN TÚNEL

El proyecto de un túnel es simi-lar al de cualquier obra a cieloabierto, con las variacionescorrespondientes al tipo desección elegida.

Una vez elegidos los puntos entre

los cuales ha de construirse untúnel, el diseño de su planta, perfillongitudinal y sección tipo estaráen función de:

“Topografía aplicada a laexcavación de túneles”

(1ª parte)

El proyecto “Topografía Aplicada a la Excavación de Túneles”, de Patricia OrtegaGonzález, alumna de Ingeniería Técnica de Obras Públicas, ha sido el ganador del PrimerPremio Bosch 2004-2005, en la categoría de Topografía en Obra. Esta empresa, en cola-boración con la Universidad de Cantabria, ha instaurado estos premios para dar a cono-cer los mejores trabajos de topografía y maquinaria de construcción realizados por los estu-diantes de los dos últimos cursos de Ingeniero de Caminos y último curso de IngenieroTécnico de Obras Públicas. Hemos considerado de interés publicar un artículo que resumeeste excelente trabajo.

Patricia Ortega González, Ingeniero Técnico de Obras Públicas

Desde muy antiguo el hom-bre ha contemplado laconstrucción de túneles

como la alternativa a la necesidad,cada vez mayor, de comunicarsecon el mundo que le rodea. Losejemplos más antiguos de túnelesconstruidos por el hombre seremontan a la civilización egipcia,que construyeron galerías subte-rráneas excavadas en roca paraacceder a las tumbas de sus farao-nes. Posteriormente los romanosvieron en este tipo de obras la sali-da al problema de las conduccio-nes de agua y alcantarillado, sien-do los pioneros en la construcciónde obras de saneamiento.

Avanzando en el tiempo, llegamosa la Edad Media, en donde tan solose construyeron túneles como víasde salida de emergencia de salidaen castillos fortificados, o en losaccesos a criptas de monasterios.Fue en tiempos del ImperioNapoleónico cuando se empeza-ron a construir algunos túneles envías de comunicación, principal-mente en la zona de los Alpes,pero en cualquier caso, de dimen-siones reducidas.



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INSTRUMENTACIÓN ESPECÍFICADEL REPLANTEO

SISTEMAS DE ILUMINACIÓN

• DE LOS INSTRUMENTOS

Todos los instrumentos utilizadosen la topografía subterránea tienenprevisto el problema de ilumina-ción de sus elementos de lectura acausa de las nulas o deficientescondiciones de iluminación de unagalería subterránea, y por ello vanprovistos de sistemas de ilumina-ción adaptables a los mismos a finde contrarrestar este problema

• DE LAS GALERÍAS

Para poder trabajar dentro de unagalería subterránea no siempreserá suficiente la iluminación ins-talada en la misma, ya que éstageneralmente es deficiente y noadecuada para realizar las obser-vaciones. Es necesario disponerde focos o sistemas reiluminaciónfijos o móviles que iluminen lasseñales de puntería. En muchasocasiones es factible resolver esteproblema por medio de linternasportátiles cuyos haces de luz diri-gidos al punto a observar o replan-tear, permiten efectuar las obser-vación con total nitidez.

TEODOLITO DE MINA

Se pueden conseguir en el mercadouna serie de goniómetros o teodoli-tos de mina específicamente diseña-dos para trabajar dentro de galeríassubterráneas, cuyo uso queda res-tringido a tareas de topografía mine-ra, ya que todas las tareas de obser-vación y replanteo en un túnel pue-den ser efectuadas con instrumentalde tipo convencional, adecuadamen-te estacionado e iluminado.

El problema que se presenta alobservar dentro de una galeríasubterránea consiste en el estacio-namiento del instrumental, que no

puede en muchos casos efectuar-se sobre puntos situados sobre eleje en rasante de excavación, biensea debido a la estrechez de lasgalerías, o a la imposibilidad deestacionar en un eje cubierto poruna vía sobre la que circulan vago-netas o sobre el que se muevenpalas cargadoras u otro tipo demaquinaria para la saca del escom-bro. De esta manera habrá queseñalar los puntos y estacionar deforma atípica, ya sea sobre vigue-tas adosadas a los hastiales de laexcavación, sobre barras elevadaso colgando de la bóveda.

TEODOLITO GIROSCÓPICO

El problema más complicado quese presenta a la hora de trabajardentro de una galería subterráneaes el de la orientación de los tra-bajos con relación a un sistema dereferencia, ya que habrá de trans-mitirse la orientación desde elexterior a cielo abierto al fondo deun pozo o a una galería. Con inde-pendencia de los métodos o siste-mas de transmisión de esta orien-tación con instrumental conven-cional, se tiene la posibilidad deutilizar el denominado “TeodolitoGiroscópico” o “Inercial” que per-mite de forma directa y puntual ladeterminación de la dirección delNote Geográfico con un grado deprecisión suficiente para la mayo-ría de los trabajos.

El principio físico del giróscopo essimple, pero conviene hacer unaaclaración. Si se relaciona deforma solidaria un giróscopo sus-pendido de un hilo vertical situadodentro de una carcasa, con un teo-dolito, a ser posible de 1cc deapreciación, por medio de los tor-nillos de coincidencia de éste,siempre se podrá mover la posi-ción del eje de giro del giróscopo,hasta que éste coincida con el cen-tro de una escala de medición,aunque esto no será exactamenteposible debido al movimiento de

• PLANTA: la conformación de laplanta dependerá de las alineacio-nes de entrada y salida así como delestudio geotectónico de la zona queatraviese. La planta será como la decualquier obra, en recta o en curva,con curvas circulares o clotoides,cumpliendo con las especificacio-nes generales de un proyecto.

• PERFIL LONGITUDINAL: la rasan-te será función de los parámetrosdefinitorios del tipo de obra, yasea la velocidad específica de unvial o ferrocarril, la pendientemáxima de un canal, así comotambién influirán en su diseño lascondiciones de drenaje.

• SECCIÓN: inevitablemente de-penderá del estudio geológico delterreno en su aspecto constructivoy de las características de la obraen cuestión, variable según seauna carretera, un ferrocarril, uncanal u otras.

PLANOS DE PROYECTO DELREPLANTEO DE UN TÚNEL

Las clases de planos que definenel proyecto de la construcción deun túnel, desde el punto de vistatopográfico son básicamente laplanta general sobre el topógrafobase, el perfil longitudinal y lassecciones transversales.

• PLANTA GENERAL SOBRE ELTOPÓGRAFO BASE

El proyecto de la planta general deun túnel se efectúa como cual-quier otro tipo de obra de ingenie-ría, ya sea su diseño en recta, encurva o por combinación deambos tipos de alineaciones.

• PERFIL LONGITUDINAL

El proyecto de la rasante de untúnel habrá de relacionarse con elperfil por montera, es decir, con ellongitudinal del terreno a lo largode todo su trazado.


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continua, que se denomina “topo”,surge el problema del direcciona-miento de dicha maquinaria paraque su frente de perforación descri-ba en el espacio la trayectoria deproyecto, tanto en planta como enalzado. Para poder efectuar tal direc-cionamiento es para lo que seemplean los emisores láser.

La palabra “láser” responde a lassiglas “Light Amplifier by StimulatedEmision of Radiation”, que traduci-do al castellano sería “Amplificaciónde luz por emisión estimulada deradiación”. Podría definirse comouna emisión de intensos rayos deluz monocromática y coherente quese comporta como la luz normal yes por lo tanto afectado por las con-diciones atmosféricas siendo estasalteraciones mínimas cuando se tra-baja a distancias inferiores a los 400m., tope máximo aconsejable ensus aplicaciones como rayo visiblecon luz diurna, siendo esta distanciaampliable en la oscuridad.

Dentro de las variaciones que cadamodelo comercial, de distintascasas constructoras, pueda pre-sentar, en general consiste en untubo o carcasa con una cabezaque a través de unas pequeñasventanas u orificios circularesemite el haz de luz. En otrasocasiones dispone de un cordóntubular metalizado y f lexibleque transmite el rayo producidopor el sistema a un determinadopunto emisor para hacerlo coin-cidir con el eje de colimación deun taquímetro o un nivel, mate-rializando dicho eje de formavisible y prolongándolo a travésdel espacio.

Las ventanas emisoras se sitúan enlos laterales de la carcasa o tubopudiendo ser dobles o cuádruples,determinando unos ejes ortogona-les cuyo plano es normal al eje lon-gitudinal del tubo, en cuyo extremosuperior también puede disponerde ventana emisora.

La carcasa emisora posee general-mente un sistema de niveles tubu-lares o esféricos así como de cli-nómetros adosados, los cualespermiten colocar vertical u hori-zontalmente el eje o situarlo conuna determinada pendiente. Enotras ocasiones la verticalidad seconsigue por medio de perpendí-culos de gravedad.

La cabeza del instrumentopuede tener acoplado un peque-ño motor eléctrico que propor-ciona un movimiento rotatorio ala misma con velocidad regula-ble, lo que permite al rayo emi-tido por la ventana emisora des-cribir un plano horizontal o conuna determinada inclinación opendiente.

El haz de luz monocromáticaemitido suele se de color rojo,lo que permite su visualizaciónen el espacio, y supone en lapráctica una materialización delmismo, al poder ser intercepta-do en cualquier punto de su tra-yectoria por medio de una pan-talla, placa de puntería o senso-res fotoeléctricos especiales.

Especial mención debe hacerseal hecho de que no sólo sepuede utilizar un emisor deláser de forma aislada sino tam-bién acoplarlo a otro instrumen-to topográfico, taquímetros yniveles principalmente. Esto seconsigue por medio de ocularesy retículos especiales que obli-gan a una exacta coincidenciaentre el eje de colimación delinstrumento y el eje del rayo,convirtiendo la visual en un rayomaterializado y proyectable. Deesta forma se consiguen preci-siones en la determinación delrayo, iguales a las del instru-mento al que ha sido acoplado,consiguiendo así crear en ellugar visado, pantalla, pared,roca, etc., una zona casi pun-tual, luminosa y tonalizada.

precisión del eje de giróscopo. Noobstante, en la escala sí se podránobservar las desviaciones o elon-gaciones del eje de giro del girós-copo con respecto al norte verda-dero o Norte Geográfico.

Aunque el teodolito esté en unprincipio desorientado, siempre esposible por tanteo, seguir la marcadel norte del giróscopo, por lo quees conveniente efectuar una orien-tación aproximada previa de ladirección del norte. La precisiónen la determinación del NorteGeográfico está en función de lavelocidad de rotación del girósco-po, y suele llegar a ser de 60cc enlos modernos modelos, específica-mente topográficos, pues puedeser mayor en los modelos compu-tarizados de laboratorio, o en losutilizados en naves espaciales.

Por otra parte, el índice de repetibi-lidad de las observaciones realiza-das con un giróscopo, acoplado aun teodolito de 1cc, puede llegar aser del orden de 6cc, lo que lo con-vierte en un excelente medio para latransferencia indirecta de orienta-ciones, con independencia del aci-mut de ésta.

ESTACIONAMIENTOS ESPECIALES

Por las mismas razones que obliga-ban a la utilización de los teodolitosde mina estacionables de forma atípi-ca, es necesario en ocasiones efec-tuar el estacionamiento del instru-mental sobre aparejos diversos quepermiten, no sólo situar el aparato deforma atípica, sino también y en sucaso, posicionarlo con unas determi-nadas coordenadas espaciales. Paraello existen en el mercado una seriede aparejos tales como consolas yplataformas de ajuste, mesas de cen-traje y regletas de centraje o ajuste.

EMISORES “LÁSER”

Cuando la excavación se realiza pormedio de un escudo de perforación


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miento, pero harto insuficientepara mayores distancias, según elcaso. Además no permite visualescenitales.

Existen en el mercado los denomi-nados visores cenitales de anteojo,los cuales permiten a un taquímetroefectuar transferencia de puntoscenitales, pero teniendo en cuentaque su precisión no supera el valorde 1/5.000, siendo por lo tanto ade-cuado para su utilización a distan-cias muy cortas ya que, a partir de 5m., el error supera al mm., y ellosiempre y cuando no exista desco-rrección, lo que es muy normal eneste tipo de plomadas ópticas.Lógicamente se supone al lectorconocedor de este tipo de error y laforma de verificarlo.

Las precisiones de este tipo de plo-madas ópticas varía desde1/10.000 hasta las más precisasque pueden llegar a garantizar1/200.000. En cualquier caso, sonlos instrumentos más adecuadospara esta clase de trabajos, talescomo la excavación y traslado deorientación al fondo de un pozo.

OCULARES ACODADOS

A lo largo de las tareas de replanteode un túnel, en muchas ocasiones,debido a la angostura de la galería olas características del estaciona-miento que no permite las observa-ciones para una posición normal deloperador, es necesaria la utilizaciónde oculares acodados a fin de poderefectuar lecturas cenitales cercanasa la vertical.

Estos oculares acodados, no sólopermiten el tipo de lecturas ante-riormente comentadas, sino tam-bién utilizar el taquímetro comoplomada cenit-nadir. La precisiónde estas visuales cenitales estaráen función de la sensibilidad delnivel con el que esté dotado el ins-trumento, o su sistema de auto-matismo vertical.

Generalmente los oculares acoda-dos a un taquímetro de aprecia-ción angular 1cc pueden propor-cionar precisiones de la visual deltipo 1/50.000 ó 1/85.000, aunquesiempre estarán en función del ins-trumento empleado. La precisiónde una puntería vertical dependedel instrumento utilizado, llegandoa ser incluso de 1/70.000.

MIRAS ESPECIALES“INDUSTRIALES”

Al efectuar nivelaciones en unagalería subterránea, debido a lasconocidas causas de trabajar enespacios angostos de poco gálibo,puede ser necesaria la utilizaciónde este tipo de miras del tipo invar.Cuando las características del tra-bajo así lo requieran y que siendode menor longitud de las conven-cionales, van provistas de regato-nes para su estacionamiento sobrediferentes tipos de señales.

PERFILÓMETROS

Se designan con este nombre auna serie de instrumentos espe-cialmente diseñados para la obten-ción de los perfiles transversalesen una galería de túnel, ya sea éstarevestida o escavada en roca.

Este tipo de instrumental, por simismo o combinado con aparatosconvencionales, permiten efectuarrápidos y precisos levantamientosde las secciones transversales deexcavación, a fin de comprobarésta o de evaluar el volumen detierras excavado.

INSTRUMENTACIÓN ESPECIALPARA EL CONTROL DE

DEFORMACIONES

A fin de poder determinar con unalto grado de fiabilidad las posi-bles deformaciones que se puedenproducir en una galería de túnel,es necesario disponer de instru-mentación específica que permita

PLOMADAS “CENIT-NADIR”

Para efectuar la transferencia depuntos a lo largo de una visual ver-tical cenit-nadir, tarea por otraparte bastante normal en el replan-teo de plantas de edificios, depozos y de galerías subterráneas,se tienen varias opciones a la horade elegir el instrumental.

PLOMADAS DE GRAVEDAD(MECÁNICAS)

El más grave problema que pre-senta la plomada convencional degravedad es la oscilación pendularde la misma, tanto mayor cuantomayor sea la longitud del hilo,cuerda o cable de suspensión. Laúnica forma de paliar en parte elproblema consiste en aumentar elpeso y amortiguar oscilaciones.

Para amortiguar las oscilaciones,se sigue utilizando el viejo sistemade introducir la plomada en unacubeta con aceite mineral. Sinembargo, cualquier corriente deaire por suave que ésta sea va adar lugar a nuevas oscilaciones ovibraciones del hilo de suspensiónpor delgado que éste sea.

Para trabajos de baja o media pre-cisión sigue siendo el método másbarato y utilizado.

PLOMADAS ÓPTICAS

Cuando la operación de transfe-rencia hacia el cenit o hacia elnadir, esto es hacia arriba o haciaabajo, requiere de alta o muy altaprecisión, se está en la obligaciónde utilizar medios más exactosque el anteriormente reseñado.

Conviene aclarar que la plomadaóptica de que está dotado untaquímetro standard para su pues-ta en estación sobre trípode notiene una precisión superior a1/5.000, que es suficiente para lasalturas normales de estaciona-

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apoyo, de los puntos concretos deobra, de las referencias de éstos yde los posibles puntos de control.

En trabajos de cierta entidad esnecesaria la implantación de hitosarmados de hormigón con adecua-dos sistemas de estacionamientoque permitan unas observacionesmuy precisas.

Cuando las características y longi-tud de un túnel lo precisen, es nor-mal la utilización de este tipo dehitos para señalizar los puntos deapoyo del replanteo de la redexterna a cielo abierto, ya seanestos puntos pertenecientes a unatriangulación o a una poligonal deprecisión.

Por otra parte, cuando se trabajadentro de la galería, y con inde-pendencia de los estacionamien-tos atípicos o especiales que sehayan utilizado, es necesario seña-lizar los puntos, sean éstos del tipoque sean, tanto en la bóveda,como en los hastiales o en larasante de excavación. Para ello esnormal la utilización de clavosmetálicos incrustados en la roca oen el revestimiento de los hastia-

les, que sirvan como referenciasplanimétrica o altimétricas y declavos en rasante que generalmen-te y debido a problemas de viali-dad dentro del túnel, han de serprotegidos.

MATERIAL VARIO DIVERSO

Además de todo el instrumentaltopográfico convencional de todosconocido y del instrumental espe-cífico anteriormente comentado,para poder efectuar los trabajos deproyecto, observación, replanteo,construcción, evaluación de obra yposible control de deformaciones,es necesario utilizar una ampliagama de material diverso, enmuchos casos no estrictamentetopográfico, que permita realizardeterminado tipo de tareas.

Dentro de este apartado de mate-rial diverso, podrían incluirse lossiguientes:

• TELÉMETROS

Un apunte que no debiera pasarsepor alto, debido a la gran repercu-sión que su empleo tendría paralos trabajos topográficos actuales,es sin duda que los telémetrosópticos debido a su baja precisiónhoy en día están prácticamente endesuso.

• REGLAS DE MEDICIÓN EXPEDITA

Existen en el mercado reglas digi-tales de configuración telescópicaretráctil de hasta 8 ó 10 m. de lon-gitud que permiten medir conaceptable precisión longitudesentre elementos de obra a fin decontroles someros, cierto tipo delevantamientos y obtención deperfiles.

• PRISMAS PENTAGONALES

El principio del prisma pentagonal,que permite la obtención de visua-les perpendiculares, es de amplia

determinar de forma precisa ysegura estas deformaciones. Paraello es necesaria la utilización deuna instrumentación específicaque permita medir distancias ovariaciones de distancia entre pun-tos de control. Con una precisióntal que no de lugar a dudas res-pecto a saber si esas diferenciasde valores, posibles deformacio-nes, son tales, o simplemente sonconsecuencia de los lógicos erro-res de observación. Esta instru-mentación para medida de distan-cias o diferencias de distancias sebasa en los hilos invar.

Los hilos invar convencionales, uti-lizados desde antiguo para lamedida de distancias, fueron en sudía el más preciso sistema demedición. Actualmente son utiliza-dos en dispositivos que, con dife-rentes formas de diseño y presen-tación comercial, permiten preci-siones del tipo ± 0,01 ó 0,02 mm

SEÑALIZACIÓN DE PUNTOS

Uno de los problemas que se pre-sentan a la hora de replantear untúnel es el de la materialización yseñalización de los puntos de

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utilización en el instrumental auxi-liar en función de la determinaciónpor este sistema de planos per-pendiculares a una cierta visualmediante el giro completo de unode estos prismas.

Este principio, utilizado en la conoci-da “Escuadra de Agrimensor”, será deaplicación en la transferencia de pun-tos y direcciones al fondo de pozos.

Cuando se trabaja a distanciasmuy cortas, menores de la mínimade enfoque que permite un instru-mento convencional, por ejemplo,en tareas de montaje o dentro degalería, es necesario la utilizaciónde estas lentes que permiten efec-tuar el enfoque a distancias muycortas.

• MEDIOS AUXILIARES

Para poder señalizar, referenciar,observar, acceder a las señalescuando éstas se encuentran en labóveda, y otra serie de tareas, esnecesario utilizar una serie demateriales o herramientas que per-mitan ejecutar estos trabajos. Asípues y en su caso se pueden rela-cionar una larga serie dentro de lacual se podrían consignar lassiguientes:

- Elementos para escritura y mar-cado por fricción en las señales.

- Elementos varios de señalización.

- Tablas, tablones, listones.

- Punteros de acero.

- Granetes.

- Cinceles.

- Macetas, mazos, y clavos deacero.

- Yeso, cementos, morteros, hor-migones, para el fijado y protec-ción de las señales.

- Sistemas de iluminación degalería, como pueden ser focostransportables.

- Radioteléfonos.

- Torno, para el descendimientode plomadas o cintas metálicas alfondo de pozos.

- Maquinaria de obras públicas,tales como martillos perforadoresa fin de incrustar clavos y palascargadoras para acceder a lasseñales en bóveda.

EL TÚNEL BASE DE“SAN GOTARDO”: TECNOLOGÍA

PARA EL FUTURO

Alp Transit Gotthard es el nombrede un ambicioso proyecto ferrovia-rio que incluye el túnel ferroviariomás largo del mundo, con 57 kiló-metros, que atravesará los Alpessuizos por el interior del macizo deSan Gotardo. Los trenes de pasaje-ros viajarán por él a una velocidadde hasta 250 km/h., en un tramomás de la muy exitosa red europeade Alta Velocidad, ofreciendo unaconsiderable reducción del tiempode viaje.

* PROYECTO

Con el fin de integrar Suiza en la

moderna red ferroviaria hay queconstruir nuevas líneas aptas paralos trenes de Alta Velocidad. Eltúnel de San Gotardo, que costaráalrededor de 7.000 millones defrancos suizos, constituye la basepara el ferrocarril suizo del futuro.Las conexiones en el transporteinternacional existentes entre losnodos de Zurich y Milán resultaránconsiderablemente más rápidas yofrecerán una alternativa real al viajepor carretera o avión. Se calcula quecuando el tramo esté acabado circu-larán por él diariamente entre 200 y220 trenes de mercancías.

El túnel de San Gotardo consta dedos túneles de una vía que trans-curren a 40 m. de distancia y queestán unidos cada 325 m. por gale-rías de conexión. La construccióndel túnel se ha dividido en cincosecciones, cada una con un puntode acceso propio como son los deErstfeld (boca Norte), Amsteg,Sedrun, Faido y Bodio (boca Sur).

El túnel Base de San Gotardo mar-cará la pauta en calidad y seguri-dad gracias a un completo sistemade seguridad. La construcción dedos túneles elimina la posibilidadde choques frontales y los dospares de túneles de conexión per-miten que los trenes pasen de untúnel a otro, lo que es particular-





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mente importante durante los tra-bajos de mantenimiento.

Cada una de las secciones deSedrun y de Faido incluye unaestación multifuncional que ofreceen caso de accidente cuatro espa-cios seguros para los pasajeros yestaciones de emergencia para lostrenes. Las galerías de conexióndisponen de pasos para cruzar lasvías, un sistema de ventilación yuna salida al exterior que permitala rápida evacuación en caso deaccidente. Esos accesos interme-dios no sólo permiten integrar losdispositivos de seguridad, tambiénhacen posible el trabajo simultá-neo de hasta cuatro tuneladoras,con lo que se consigue reducir a lamitad el tiempo total de la cons-trucción, unos nueve años.

La geología y el tipo de rocas de lazona determinan el método deconstrucción del túnel y por esolos ingenieros crean diferentes per-files para el túnel en función de lasrocas que van encontrando. Casi el90 % del Túnel Base de SanGotardo atraviesa roca apta paraser excavada utillizando tunelado-ras. El resto -la sección de Sedruny la estación multifuncional deFaido- han de perforarse conexplosiones controladas. En gran-des tramos del túnel las condicio-nes son sumamente duras, comoen un tramo de 5 km. de longitudcon más de 2.000 m. en que lastemperaturas de la roca puedensubir hasta los 45 ºC. Esas condi-ciones afectan a los métodosempleados y a la complejidad detodo el proyecto de construcción.

SISTEMA DE MEDICIÓNDEL TÚNEL

En las profundidades del túnel deFaido, se ha combinado una solu-ción topográfica integrada para elmétodo de perforación y explo-sión. Hasta el momento se hanexcavado más de 300 m. de esta

sección y, debido a la enorme pre-sión de la roca, el túnel se estáexcavando en dos etapas: primerola parte superior, o frente de ata-que, y después la parte inferior, oberma. Se necesitan unos 450 kg.de explosivos para cada ronda deperforación y el túnel avanza de 1a 3 m. cada día. El sistema demedición de túneles utilizado per-mite medir automáticamente yreplantear los perfiles utilizandotaquímetros.

El concepto tras el sistema fueidentificar las tareas de produc-ción requeridas por el trabajo yautomatizarlas de modo que untécnico no especializado en topo-grafía, por ejemplo el capataz deltúnel, pudiera realizar el replanteo.Antes, para posicionar con preci-sión los arcos de apoyo del túnel,la cuadrilla tenía que perforar eltúnel aproximándose lo más posi-ble al perfil requerido para ajustaren él los arcos. Después los topó-grafos comprobaban el trabajo,fijaban los arcos en el frente ydaban las instrucciones para conti-nuar los trabajos. Pero si el frenteno había sido perforado con sufi-ciente amplitud respecto al perfilcorrespondiente, había que retirarlos arcos y seguir con la perfora-ción. Si, por el contrario, el perfilera demasiado grande, la cantidadde hormigón proyectado necesarioentre los arcos aumentaba consi-derablemente. En ambos casos seincrementaban de modo significa-tivo los costes de la construccióndel túnel.

Los taquímetros se montan muyarriba en las paredes del túnel y secontrolan automáticamente lastareas de medición, por ejemploalineación, perfil excavado, posi-ción de los arcos o grosor del hor-migón proyectado necesario. Cadataquímetro lleva incorporado unpotente software. El topógrafo pre-para e introduce todos los datosdel proyecto y la geometría utili-

zando un ordenador y luego trans-fiere esa información al taquímetropor medio de una tarjeta antes delcomienzo de los trabajos.

REPLANTEAR DE MANERA SENCILLA

Obviamente, en el sector de laconstrucción el tiempo es oro y,por eso, en el Túnel Base de SanGotardo se trabaja las veinticuatrohoras del día, en turnos de ochohoras con cuadrillas de seis traba-jadores cada uno. Cada cuatrodías hay un período de ocho horasque se dedica a las tareas de man-tenimiento de las máquinas. Elcambio de turno se efectúa enpocos minutos y en cada cuadrillahay uno o dos trabajadores quehan sido entrenados en el manejodel taquímetro en cuestión, queson responsables de pasar la infor-mación al siguiente turno. El siste-ma utilizado es una gran ayudapara el correcto traspaso de lainformación y la rápida continua-ción del trabajo puesto que todoslos datos del proyecto ya están dis-ponibles en el aparato.

El sistema es muy sencillo y a con-tinuación se describe someramen-te. La instalación es efectuada porel topógrafo y después se puedeentrenar a los operadores demanera que sepan cuáles son lospuntos que deben introducir en elprograma. Se prepara la informa-ción básica de la sección y de suscorrespondientes puntos de medi-ción. Los trabajadores puedenentonces utilizar solos el instrumen-to sin más asistencia del ingeniero.

Una vez instalado el sistema sumanejo es efectuado por personalde la obra que no necesita tenerconocimientos específicos detopografía. La principal ventaja deeste procedimiento es que no seproducen retrasos por no tenerque esperar a que llegue el inge-niero. Además, el trabajo realizadopor el personal de la excavación esmás preciso y productivo, demanera que se optimiza el procesoy se ahorran costes.

El capataz de la obra del túnelpuede hacer tareas de mediciónrutinarias en modo de producción,entre ellas las de perforación yexplosión, avance convencional,avance del frente, proyección yapantallado de tubos, láser de aline-ación y posicionamiento de arcos.

El sistema es muy fácil de usar y lagente que trabaja con él está muycontenta con sus prestaciones. Launidad de control remoto sepuede sujetar en la mano, justodelante del cuerpo, pero tambiénse puede comandar por radio.También hay un lugar seguro parael ordenador, a 1.500 m. de dis-tancia de la obra.

CONDICIONES ADVERSASEN FAIDO

Aunque antes de empezar los tra-bajos del túnel se habían hechoensayos geológicos y evaluacio-nes, el verdadero tipo de las rocaspresentes no se conoce hasta quecomienzan las obras de excava-ción. Ese fue el caso de Faido,donde en abril de 2002 se produ-jo un hundimiento parcial de labóveda de una conexión transver-sal ocasionando una cavidad deocho m. de altura.

A pesar de la predicción efectuadacon la ayuda de perforaciones desondeo, el avance de la obra setopó con una capa de roca muyinestable formada por Gneis

Lucomagno Descompuesto. Esoobligó a modificar los métodos detrabajo y a reforzar la excavacióncon arcos de acero deformables yun denso sistema de anclaje.

Las deformaciones requirieroncorrecciones en el método deconstrucción del túnel. Se hacenlos dibujos y continuamente seestán cambiando los perfiles enfunción de las condiciones de lasrocas que se encuentran. Actual-mente se preparan las coordena-das del perfil informáticamente, locual antes era un problema porquehabía que realizarlo todo a mano yrequería bastante tiempo.

MEDICIÓN DE LOS PERFILES

Otro programa integrante del soft-ware permite medir y controlarperfiles, proporcionando una com-paración exhaustiva entre el dise-ño y los datos actuales de medi-ción y del proyecto. Ahora tambiénse puede determinar la posiciónprecisa en el túnel. Se puede esta-blecer si se está exactamente en laposición correcta para el perfil,mediante la comparación de la dis-tancia medida en el túnel con lateórica y, en caso de desviaciones,hacer de inmediato las correccio-nes. Antes no se tenía esa posibili-dad de control y se estaba obliga-do a volver a medir con una cinta.La medición electrónica de distan-cias, integrada en el software deltaquímetro, permite medir cadapunto de forma precisa en diezsegundos. Cuando se quiere uncontrol exacto también se puedeutilizar una función especial delprograma con la que se puedenseleccionar puntos individuales.Eso constituye una auténtica nove-dad en la técnica topográfica.

VIGILANCIA DE LASDEFORMACIONES

A la vez que avanza la construc-ción del túnel es necesario vigilar

las posibles deformaciones delperfil del túnel. El método de per-foración y explosión produce unapresión elevada y por eso haygeneralmente una diferencia entrela dirección en que se ejerce lafuerza y el punto de control en elfrente. Para las tareas de vigilanciase emplean tablillas de punteríablancas con señales amarillas parala reflexión. Se colocan en la partede arriba del túnel (en tres puntos)y en la parte de abajo (en dos pun-tos).

Para vigilar las deformaciones sehan instalado hasta el momentomás de 300-400 puntos de con-trol. Esos puntos se controlan unao dos veces por semana para obte-ner un registro de los movimien-tos. La mayor deformación medidahasta ahora ha sido de cincuentacm. Mediante el software se pue-den hacer los cálculos y compro-bar los puntos desde una distanciade 50 a 10 m. En un período decuatro meses los puntos de con-trol se comprueban dos veces y lospuntos fijos, una vez.



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“CURSO BÁSICO DEREPLANTEO DE TÚNELES”COLEGIO OFICIAL DE INGENIE-ROS TÉCNICOS EN TOPOGRAFÍA(Madrid-Castilla la Mancha).Antonio Santos Mora, Ingeniero Técnicoen Topografía, Profesor Titular de laEscuela Universitaria de IngenieríaTécnica en Topografía

“CATÁLOGO DE PRODUCTOSBOSCH”INSTRUMENTOS DE MEDICIÓNINTELIGENTESBosch, Ideas that Work

“REVISTA DE TOPOGRAFÍALEICA”APUNTES DE LA CONSTRUCCIÓNDEL TÚNEL BASE DE SAN GOTARDO

BIBLIOGRAFÍA

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como en su fiabilidad. Mientrasque a cielo abierto la comproba-ción es fácil, bajo tierra un errorno tiene comprobación inmediatay sus consecuencias pueden serirreparables.

TOPOGRAFÍA DE APOYO EXTERNA

La topografía de apoyo externa,generalmente consta de lossiguientes apartados:

• Plano topográfico base.

• Red de enlace entre bocas:triangulación, poligonal de preci-sión y nivelación.

• Paso de línea por montera (nosiempre realizable).

• Perfil longitudinal por montera(no siempre realizable).

PLANO TOPOGRÁFICO BASE

Para poder proyectar un túneltanto en su diseño planimétricocomo altimétrico, ha de disponer-se de un plano topográfico quepermita estudiar y determinar lascaracterísticas del mismo. Sobreeste plano, el ingeniero proyectistapodrá definir en una primera apro-

ximación la planta y rasante deltúnel.

Pero para efectuar este anteproyec-to habrá de conocer las caracterís-ticas geológicas de la zona pordonde va a discurrir dicho túnel.Para ello y con independencia dela información geológica generalde la zona que un mapa de estetipo pueda proporcionarle, es muyposible que tenga que efectuarsondeos adecuadamente situadosque certifiquen y amplíen esainformación previa.

Estos planos base pueden sergenerales de toda la zona de posi-ble afección por el túnel, o parcia-les de determinadas zonas. Losplanos generales suelen requerirde escalas del tipo 1/2.000,1/1.000 o 1/500 con altimetríaacorde con la escala. Los planosparciales o de detalle se realizan aescalas del tipo 1/200 y 1/100, ygeneralmente se realizan en lazona de acceso, esto es, en lasboquillas y en los puntos de ata-que de las rampas y los pozos.

RED DE ENLACE ENTRE BOCAS

La excavación de un túnel es unatarea que sólo puede circunscribir-

“Topografía aplicada a laexcavación de túneles”

(2ª parte)

Publicamos la segunda parte de este artículo sobre topografía aplicada a la excavaciónde túneles, en donde se explica de una manera más pormenorizada las característicasmás singulares del proyecto del túnel de San Gotardo entre Italia y Suiza, de una lon-gitud de 17 km.

Patricia Ortega González, Ingeniero Técnico de Obras Públicas

TOPOGRAFÍA DE APOYO

Al igual que cualquier obra de inge-niería, las tareas de proyecto,replanteo, construcción, mediciónde obra, y posible control posteriorde deformaciones, de túnel, precisade la implantación y observación deuna serie de puntos de diverso tipo,que junto con el plano topográficobase, donde se ha proyectado dichotúnel, se va a denominar de formagenérica “Topografía de Apoyo”. Yésta, se apoya tanto en la topografíaexterna, realizada a cielo abierto yen la topografía subterránea, reali-zada bajo tierra.

La topografía a cielo abierto nodifiere de la que se utiliza en cual-quier tipo de obra, sin embargo, latopografía subterránea, o las labo-res del enlace de ésta con el exte-rior, sí requiere de métodos y téc-nicas de trabajo específicas quedifieren bastante de los sistemasnormalmente utilizados a cieloabierto.

A esto hay que añadirle otro matiz.Los cuidados a tener en cuentadurante las tareas de observaciónde una y otra habrán de ser estric-tos a fin de conseguir las precisio-nes exigidas, tanto en su enlace

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se a la sección de ataque de dichaexcavación. Con independenciadel método de excavación utiliza-do, dichas tareas son lentas y porello se induce que lógicamentepara conseguir mayor velocidad enellas es necesario duplicar o multi-plicar estos frentes de excavación.

Generalmente la excavación de untúnel se efectúa desde las dosbocas a la vez a fin de duplicar lavelocidad de excavación.Lógicamente, ambos frentes deexcavación han de encontrarse ycoincidir en un determinado puntoo perfil del túnel. Para que estosuceda con una cierta exactitud yno se produzcan errores es nece-sario que la labor de replanteo seaprecisa y exacta. Por otra parte,para conseguir lo anteriormenteexpresado, se induce que es abso-lutamente necesario que los pun-tos definitorios de las dos bocasde excavación estén perfectamen-te enlazados, tanto planimétricacomo asimétricamente.

En ocasiones, a fin de conseguirmayor velocidad en los trabajos deexcavación, se aumenta en núme-ro de frentes de ataque, lo que seconsigue efectuando pozos o ram-pas auxiliares que permitan acce-

der desde la superficie a la rasanteproyectada del túnel.

Esta red de enlace entre bocas hade permitir conocer con toda exac-titud las coordenadas espacialesX, Y, Z de los puntos iniciales de laexcavación, así como los acimutesde las alineaciones rectas de entra-da y salida. Para ello es necesariorelacionarlos, lo cual se consiguepor medio de:

• Triangulación.

• Poligonales de precisión.

• Nivelación por alturas.

Según la figura, donde se expresael proyecto de un túnel en plantacon alineación recta entre unaboca norte punto N y una boca surpunto S, que en su caso pudieraser una alineación curva cualquie-ra, ambos puntos N y S, así comosus alineaciones de entrada y sali-da (R4, R3, N, R2, R1) ; (R5, R6, S,R7, R8), se enlazan por medio deuna triangulación con dos basesmedidas en los extremos de lacadena para su comprobación.

Modernamente esta triangulaciónentre bocas es sustituida por unapoligonal de precisión, siempre ycuando los condicionantes deltúnel, longitud y precisiones delcierre del replanteo por ambasbocas así lo permita. El presente yfuturo de este tipo de tareas es laaplicación del G.P.S.

Por otra parte, habrá de efectuarseentre ambos puntos una nivela-ción por alturas con la precisiónadecuada al caso, de tal maneraque se pueda determinar con todaexactitud el desnivel o incrementode cota entre ambos puntos deboquilla N y S, ya que los valoresaltimétricos de la triangulación o lapoligonal no tendrán las precisio-nes requeridas en estos casos.Esta nivelación va a permitir pro-

yectar la rasante de la galería y ladiferencia de cotas entre dichospuntos.

Las precisiones requeridas enestos trabajos previos estaránsiempre en función de las caracte-rísticas de la obra. El condicionan-te más a tener en cuenta es la lon-gitud existente entre N y S, bocasde entrada y, por lo tanto, losresultados estarán en función dedicha longitud.

Así pues, el desarrollo de estasobservaciones de apoyo no seráigual para un túnel de unos cientosde metros de longitud que para untúnel de varios kilómetros. Delmismo modo los cuidados a teneren cuenta a lo largo de un replan-teo no serán los mismos para untúnel excavado directamente enroca sin necesidad de revestimien-to, que otro con revestimientosimultáneo a la excavación.

Como ejemplo ilustrativo de loanteriormente comentado se tieneel proyecto del túnel de SanGotardo entre Italia y Suiza, quecon una longitud de 17 km. y con-traído en 1973, presenta unascaracterísticas muy singulares, quese detallan a continuación.





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La red de apoyo consta de unatriangulación combinada con poli-gonal, es decir, una triangulacióntrilaterada o triangulateración.Está compuesta de 33 puntosobservados, referidos entre si por231 visuales y 54 distancias. Seefectuaron 126 cierres de triángu-los, con un promedio en los erro-res de cierre de 7cc, efectuándoseuna compensación en bloque pormínimos cuadrados y obteniéndo-se unas elipses de error en lospuntos calculados del orden de 32mm. de eje mayor.

Con este tipo de observaciones yla correspondiente nivelación poralturas se consiguieron unos cie-rres del replanteo de 16 cm. endirección, 7 cm. en longitud y 5cm. en cota.

Dicho replanteo fue efectuado porpoligonales de centrado forzoso,distanciómetros y giróscopos.

Paso de línea por montera

Mediante la red de apoyo externa,triangulación o poligonal y nivela-ción por alturas, se enlazan lospuntos en superficie de inicio deltúnel por ambas bocas.

Según la figura, supuesto un túnelen recta entre los puntos Boca A yBoca B, con unas alineaciones deentrada M-A y B-N, puntos de losque son conocidas sus coordena-das X, Y, Z en función del enlacerealizado por medio de la red deapoyo externa, será fácil calcularel acimut de la alineación recta A-B, referido a los puntos M y N, enfunción de sus coordenadas. Esteacimut entre A y B se calculará enfunción de las coordenadas deproyecto de ambos puntos.

Si se replantean los puntos A y B ydesde A con referencia M, se pro-longa la alineación recta M-A-B conel acimut calculado en función delas coordenadas obtenidas por la

red de apoyo, en teoría, tendríaque llegarse a B. Si se excavasebajo tierra desde A hacia B condicho acimut, y con la adecuadapendiente en función del desnivelentre ambos puntos, en teoría ten-dría que llegarse al punto B.

Ahora bien, la realidad es bien dis-tinta, ya que las coordenadas delos puntos A y B estarán afectadasde unos errores más o menospequeños que darán lugar a unacimut calculado afectado de uncierto error, por lo que al prolongardicha alineación A-B, a cielo abier-to, no se llegaría a B, sino que sellegaría a un punto B´ desplazadode B una magnitud lineal transver-sal tal que “e”.

Si a cielo abierto, en superficie, seprolongase la alineación A-B a lolargo de unos posibles puntosintermedios E1´- E2´- … - E7´, y sesupone dicha prolongación exentade errores de arrastre, aunquerealmente sí se cometerán erroresen dicha prolongación, está claroque el acimut O calculado entre A yB está afectado de un error E, cuyovalor será tag E = e/AB, donde “e”es el desplazamiento obtenido yAB es la distancia entre los puntosen cuestión. Pero también esobvio, que si se quiere replanteareste túnel en recta con toda preci-sión, a de chequearse el acimutelegido para prolongar la excava-ción, y tener plena certeza de quemanteniendo una determinadaorientación acimutal de la recta M-A, se llega al otro extremo de lamisma, punto B.

En un principio, y con indepen-dencia de los posibles errores enla prolongación de la alineaciónrecta A-B, se puede efectuar unaprimera rectificación del acimutcalculado, merced al valor delángulo E anteriormente calculado.La operación anteriormente descri-ta es lo que se denomina el “Pasode Línea por Montera”, que a fin de

cuentas es una comprobación acielo abierto del replanteo.

Si con el acimut previamente calcu-lado y corregido del error E, se vuel-ve a prolongar la alineación recta A-B, se llega a B con un desplaza-miento “e´” menor que el anterior,lo que permitirá efectuar el cálculode un nuevo error. Repitiendo estaoperación las veces necesarias sellega a obtener el acimut de la direc-ción de la recta A-B que exactamen-te cumple con el condicionamientode enlazar en recta A con B, conindependencia de las coordenadasatribuidas a A y B.

Está claro que una vez conseguidoesto, a cielo abierto, si posterior-mente se efectúa una excavaciónsubterránea entre A y B con ladirección ajustada y corregida acielo abierto, y se da a dicha exca-vación la adecuada pendiente, lomismo que en superficie se ha lle-gado exactamente a B, también seconseguirá prolongando la alinea-ción recta bajo tierra.

Conviene resaltar que se ha consi-derado la prolongación de la aline-ación exenta de errores, lo que noes cierto, por lo tanto se ha detener en cuenta dicho factor a lahora de evaluar a priori el posibleerror de llegada “e”.

El conseguir un exacto valor de lapendiente de la rasante del túnelestá en función de la precisión dela nivelación que se realice entreambas bocas.

Este paso de línea por montera, oen su caso, un replanteo previo

por montera, no es siempre facti-ble, pues estará condicionado porlas características del terreno ensuperficie.

No obstante, siempre que ello seaposible, es aconsejable efectuareste paso de línea o comprobaciónde línea por montera, que puedeevitar o paliar los errores de cierredel replaneo al realizar éste pordos frentes de excavación que enteoría han de ser coincidentes.

Perfil longitudinal por montera

En ocasiones, en túneles de granlongitud, o cuando se precisa deuna mayor velocidad de perfora-ción, es necesario, tal y como seha comentado en un apartadoanterior, duplicar o multiplicar losfrentes de excavación y para elloes preciso la excavación de pozoso rampas de acceso a la rasante deexcavación desde uno o variospuntos de la superficie. Para elloes necesario conocer el perfil delterreno en superficie, o lo que eslo mismo, el perfil de montera,definiendo como montera la inter-sección del plano vertical de laplanta del túnel con el terreno.

Cuando el túnel es en recta, elmismo paso de línea por monteradelimitará ese perfil por montera.Cuando no sea así, es necesarioreplanear el túnel o parte delmismo a cielo abierto a fin de pro-yectar estos pozos o rampas.

Es obvio decir que en cualquiercaso este perfil puede conocerse apartir del plano base, y que tansólo es necesario replantear ensuperficie el punto elegido para

iniciar el pozo o la rampa, lo quehabrá de ejecutarse con sumo cui-dado para una vez nivelado, poderdeterminar con toda exactitud laprofundidad del pozo o la direc-ción espacial de la rampa, la cualpermita acceder al punto del túnelproyectado.

En la figura se puede apreciar untúnel en recta, con su paso delínea por montera. El perfil longitu-dinal por montera se obtendría acielo abierto a lo largo de las esta-ciones, N, R3, R4,..., R5, R6, S.Este perfil por montera adecuada-mente señalizado, replanteado yobservado permite proyectar unpozo o rampa desde la superficie a larasante de excavación proyectada.

Parece conveniente poner de mani-fiesto lo siguiente. Si al perforar untúnel desde dos boquillas de ata-que, el acimut de las direccionesde perforación no es coincidente,se producirá un error de cierretransversal. Por otra parte, si laspendientes de estas direccionesde perforación no son coinciden-tes en el punto previsto para suencuentro, se producirá un errorde cierre en cota vertical. Estoserrores, por supuesto, siempre vana producirse pero serán admisibleshasta unos ciertos límites de tole-rancia, fuera de los cuales sus con-secuencias serán irreparables,dando lugar a la típica anécdotadel error de cruce, que suelecomentarse en estas obras.

En vista de la figura, supuesto untúnel en recta W-E con pendienterecta continua, puede darse elcaso que de forma realzada seexpresa, donde un error en acimut

da lugar al cruce de la gale-rías excavadas en el teóri-co perfil de encuentro ocale. Por otra parte, unerror en el cálculo de lapendiente de la rasante oen la determinación de lacota de W y E da lugar al

cruce en el plano vertical de lasgalerías excavadas.

CÁLCULO DEL REPLANTEODE UN TÚNEL

El diseño de la planta y el alzadode un túnel, con independenciadel técnico que la efectúe, siempreen función de una serie de condi-cionamientos de todo tipo, se rea-liza siguiendo los mismos proce-sos que si la obra fuese a cieloabierto. Pero el gran problema quepresentan este tipo de obras esque su construcción ha de realizar-se bajo tierra.

En superficie, a cielo abierto, esmás fácil controlar el replanteode una obra, y se pueden efec-tuar rectificaciones, pero en unagalería subterránea es muchísimomás difícil, de tal manera que unerror en el replanteo puede en sucaso no se detectado hasta elmomento del cale, cuando la rec-tificación de un posible error yano puede efectuarse.

Por otra parte, se está en la obliga-ción de trabajar en condicionesdifíciles ya sea por la angostura delas galerías, por el polvo, la hume-dad, el agua, y otros factores queobligarán a estacionar de formaatípica y a efectuar el replanteocombinando distintos métodos osistemas, que permitan obtener uncierto índice de fiabilidad y preci-sión en los trabajos.

El cálculo del replanteo de untúnel o de una galería subterráneano tendrá mayor problema que sila obra fuese a cielo abierto. Noobstante, habrán de aplicarse losmétodos más adecuados al caso,en función de los condicionamien-tos constructivos, que anterior-mente ya han sido comentados.



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Cimbra364 03

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