Contribucion Al Estudio de Los Tuneles Ferroviarios de Gran Longitud

7/24/2019 Contribucion Al Estudio de Los Tuneles Ferroviarios de Gran Longitud

1/87

PROJECTE O TESIA DESPECIALITAT

Ttol

COTRIBUCI AL ESTUDIO DE LOS

TELES FERROVIARIOS DE GRA

LOGITUD

Autor/aAlberto Beltrn Montero

Tutor/aAndrs Lpez Pita

DepartamentTransportes

Intensificaci

Dataoviembre 2011


2/87

Contribucin al estudio de los tneles ferroviarios de

gran longitud

Autor: Alberto Beltrn MonteroTutor: Andrs Lpez Pita

RESUMEN

En las ltimas dcadas estamos viviendo un fenmeno de expansin de las lneas

ferroviarias de alta velocidad en todo el mundo. Los exigentes trazados de este tipo de

lneas obligan a construir tneles de gran longitud y a grandes profundidades para poder

atravesar los sistemas montaosos ms importantes.

La construccin de tneles de ms de 20 kilmetros de longitud con coberteras

superiores a los 1.000 metros, sigue siendo, a pesar del elevado nmero de proyectos de

grandes tneles ejecutados, en construccin o planificados, un desafo que busca los

lmites de la capacidad cientfica, tecnolgica y financiera de un pas.

En el presente estudio se pretende demostrar que este tipo de tneles presentan

caractersticas diferenciadoras con respecto a los tneles cortos tradicionales y que, por

tanto, se deben de tener en cuenta tanto en la fase de diseo, como en las de

construccin y explotacin.

Las caractersticas del trazado de los tneles de gran longitud permiten circular a los

trenes a velocidades muy elevadas, por lo que los fenmenos aerodinmicos pasan a ser

el principal criterio a la hora de disear la seccin transversal. Pero, a diferencia de los

tneles cortos, en los tneles de gran longitud la resistencia aerodinmica resulta ser el

fenmeno limitante, en lugar de las variaciones de presin.

La necesidad de acortar los largos plazos que requiere la construccin de tneles de

estas caractersticas ha llevado a desarrollar nuevos mtodos de excavacin

mecanizados. En la tesina se analiza la aplicacin de estos mtodos modernos, as como

la de los mtodos ms tradicionales, a la excavacin de este tipo de tneles.

La seguridad es uno de los principales condicionantes del proyecto de los tneles de

gran longitud, por lo que se incluye un estudio sobre la tendencia actual en cuanto a

medidas de seguridad en este tipo de tneles.

Finalmente, se presentan los beneficios socioeconmicos que pueden aportar este tipo

de obras, con nimo de justificar sus elevados costes.

Para justificar las conclusiones obtenidas se ha realizado un estudio de investigacin

sobre ocho de los tneles ms largos y famosos del mundo.

Palabras clave: Tneles gran longitud, alta velocidad, resistencia aerodinmica, TBM,NATM.


3/87

Contribution to the study of great length railway

tunnels

Author: Alberto Beltrn MonteroTutor: Andrs Lpez Pita

ABSTRACT

In recent decades, we have been experiencing a phenomenal expansion of high-speed

rail lines throughout the world. Such lines have demanded paths, which require the

construction of great lengths and depths of tunnels to go through the major mountain

systems.

The construction of tunnels more than 20 kilometers long with coverage above 1000

meters, is still, despite the high number of large tunnel projects which have been

executed or planned, a challenge for any country scientifically, technologically and

financially.

The present study is to demonstrate that these kinds of tunnels have distinguishing

characteristics compared to traditional short tunnels, and, therefore, must be taken into

account both in the design phase, as in the construction and operation phases.

The characteristics of great length tunnels allow trains to run at very high speeds, so theaerodynamic phenomena becomes the main criterion in designing the cross section. But,

unlike the short tunnels, large tunnels drag turns out to be the limiting factor, rather than

pressure variations.

The need to shorten the long lead times required by the construction of these kind of

tunnels has led to the development of new methods of mechanized excavation. The

thesis discusses the application of these modern methods, as well as the more traditional

ones, to the construction of large tunnels.

Security is one of the primary concerns for large tunnel projects, so a study of thecurrent trend in terms of security measures in these types of tunnels is included.

Finally, economic benefits that can provide this type of work are presented, intending to

justify their very high costs.

In order to justify the conclusions drawn, there has been a research study on eight of the

longest and most famous tunnels in the world.

Keywords:Great length tunnels, high-speed, aerodynamic resistance, TBM, NATM.


4/87

Contribucin al estudio de los tneles ferroviarios de gran longitud

NDICE

Resumen.. IAbstract... II

ndice... III

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

1.1. Introduccin.. 11.2. Objetivos 21.3. Breve referencia a la evolucin histrica de los grandes tneles.. 21.4. Tipos de tneles ferroviarios.. 41.5. Tneles ferroviarios de gran longitud analizados.. 5

1.5.1.

Caractersticas generales. 51.5.2.Principales escenarios. 6

1.5.2.1. Suiza 61.5.2.2. Japn 91.5.2.3. Tnel de base del Brenero 101.5.2.4. Tnel de base de Mont dAmbin. 111.5.2.5. Espaa. 121.5.2.6. Tnel del Canal de la Mancha. 14

2.

CARACTERSTICAS ESPECIALES EN CUANTO A CRITERIOS DE DISEO

2.1. Diseo del trazado. 152.1.1.Condicionantes del trazado 152.1.2.Parmetros del trazado.. 15

2.2. Diseo de la seccin transversal 172.2.1.Introduccin.. 172.2.2.Principales fenmenos que ocurren al pasar un tren por un tnel. 17

2.2.2.1. Entrada en el tnel: ondas compresivas y expansivas. 17

2.2.2.2.

Presin en los laterales del tren en el tnel. 192.2.2.3. Circulacin del tren por el tnel:

resistencia aerodinmica. 202.2.2.4. Superposicin de efectos en tneles de va doble... 20

2.2.3.Criterios de diseo para la seleccin del dimetro del tnel.. 212.2.3.1. Criterio de confort... 212.2.3.2. Criterio de salud.. 222.2.3.3. Incremento de la resistencia que se opone

al avance del tren. 22


5/87


2.2.4.Efecto sobre la longitud del tnel... 232.2.4.1. Tneles muy cortos. 232.2.4.2. Tneles largos. 242.2.4.3. Tneles muy largos. 24

2.2.5.Comparativa y anlisis de las secciones transversalesde los tneles estudiados 24

3. CARACTERSTICAS ESPECIALES EN CUANTO A CRITERIOSCONSTRUCTIVOS

3.1. Condicionantes geomecnicos en los grandes tneles de base. 273.2. Mtodos constructivos.. 29

3.2.1.Excavacin con mquinas integrales (TBM). 293.2.1.1. Topos.. 303.2.1.2.

Escudos.. 323.2.1.2.1. Escudos abiertos. 343.2.1.2.2. Escudos cerrados 34

3.2.1.3. Dobles escudos... 373.2.1.4. Caractersticas de las tuneladoras empleadas

en los tneles estudiados 383.2.2.Excavacin mediante el Nuevo Mtodo Austraco (N.A.T.M.) 40

3.2.2.1. Excavacin con explosivos. 423.2.2.2. Excavacin con mquinas rozadoras.. 44

3.2.3.

Comparativa entre la excavacin mediante TBM y mediantemtodos de frente abierto en los grandes tneles ferroviarios 47

3.2.3.1. En cuanto a seguridad. 473.2.3.2. En cuanto a costes (comparacin de avances medios) 48

CARACTERSTICAS ESPECIALES EN CUANTO A CRITERIOS DESEGURIDAD

4.1. Introduccin. 55

4.2.

Configuracin general de los grandes tneles.. 554.3. Esquemas funcionales y anlisis de las medidas de seguridad

adoptadas por los tneles analizados 584.3.1.Tnel de base del Gotardo 584.3.2.Tnel de base del Brennero... 604.3.3.Tnel de Seikan. 624.3.4.Tnel de base de Mont dAmbin... 634.3.5.Eurotnel... 654.3.6.Tnel de base de Lotschberg. 66

4.3.7.

Tnel de Guadarrama 684.3.8.Tneles de Pajares. 69


6/87


4.4. Zonas exteriores 71

5. CARACTERSTICAS ESPECIALES DE CARCTER SOCIOECONMICO

5.1. Breve anlisis de los costes generales... 725.2. Beneficios obtenidos por la explotacin... 73

5.2.1.Reduccin de tiempo de viaje 735.2.2.Incremento de la eficiencia del transporte de mercancas.. 75

6. CONCLUSIONES

6.1. Conclusiones respecto a criterios de diseo. 77

6.2.

Conclusiones respecto a criterios constructivos... 786.3. Conclusiones respecto a criterios de seguridad 786.4. Conclusiones respecto a caractersticas de carcter

socioeconmico 79

7. BIBLIOGRAFA

7.1. Referencias bibliogrficas 807.2. Referencias sobre pginas web 81


7/87


1

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

1.1.INTRODUCCIN

La ingeniera civil ha experimentado un enorme progreso durante los ltimos 50 aos,no obstante, la excavacin de tneles de gran longitud y a grandes profundidadescontina suponiendo un reto impresionante para la ciencia y las sociedades humanas.

Excavar tneles de ms de 20 kilmetros de longitud (no digamos ya los superiores a 50kilmetros), con coberteras superiores a los 1.000 metros, es un desafo que busca loslmites de la capacidad cientfica, tecnolgica y financiera de un pas, aunque en laactualidad pueda parecer, en base al elevado nmero de proyectos de grandes tnelesejecutados, en construccin o planificados, que estas obras pueden ser sencillas y que setrata de un horizonte ya superado. Nada ms lejos de la realidad. Si por algo se

caracterizan las obras subterrneas de gran longitud es por un elevado grado deincertidumbre derivado de las complejidades que pueden surgir en un macizo que sepretende atravesar. Por ello, cada uno de los grandes tneles que se acometen en elmundo se convierte en un nuevo pulso en el que se requiere la mxima dotacincientfica, tecnolgica y econmica para poder superar las dificultades inherentes a estetipo de proyectos.

Los tneles de base y a gran profundidad estn caracterizados por las condicionesextremas, especialmente en materia de seguridad, a lo largo de toda la vida de lainfraestructura: diseo, construccin y explotacin. Estas condiciones extremas se

reflejan en aspectos como:

Los mtodos de investigacin y los parmetros a obtener en relacin a lascondiciones geolgicas del macizo, a la hidrogeologa y las caractersticasgeomecnicas, fundamentales en tneles con grandes coberteras: fenmenos desquezzing, rock bursting, temperatura del macizo, zonas tectonizadas conenormes presiones de agua intersticial, etc

La gestin del riesgo en materia de seguridad y salud, situacin que se agravacuanto mayor longitud tenga el tnel: la fase de diseo se prolonga por lanecesidad de contemplar un espectro de riesgos muy amplio, la construccin

moviliza un nmero muy elevado de recursos humanos y materiales, con unimpacto social potencial muy elevado, y la explotacin de la infraestructura setorna muy compleja y costosa.

Centrndonos en la fase constructiva, los tneles de gran longitud requieren unalogstica de enormes prestaciones, con impacto a nivel regional, dada la enormedemanda de recursos que absorbe la obra, exigiendo un tejido productivo capazde responder a esta demanda.


8/87


2

1.2.OBJETIVOS

El objetivo principal del estudio realizado es determinar y analizar las caractersticasespeciales que diferencian a los tneles de gran longitud de los tneles cortostradicionales. Las caractersticas analizadas se clasifican en cuatro tipos:

- Caractersticas especiales en cuanto a criterios de diseo. Por un lado se analizanlas particularidades que presentan este tipo de tneles en cuanto acondicionantes del trazado, y por otro, se estudian los diferentes criterios deseleccin de dimetro existentes, para determinar el ms adecuado para este tipode tneles.

- Caractersticas especiales en cuanto a criterios constructivos. Se analizan losdiferentes procesos constructivos empleados en la excavacin de tneles paradeterminar el ms apropiado para los tneles de gran longitud.

- Caractersticas especiales en cuanto a criterios de seguridad. Determinacin y

anlisis de la tendencia actual en cuanto a medidas de seguridad en este tipo detneles, a partir del estudio de seguridad de cada uno de los tneles analizados.

- Caractersticas especiales de carcter socioeconmico. Presentacin de losbeneficios socioeconmicos que pueden aportar este tipo de obras, al objeto dejustificar sus elevados costes.

Para justificar las conclusiones obtenidas se ha realizado un estudio de investigacinsobre los seis tneles ms largos del mundo (en servicio o en construccin) y sobre losdos tneles ms largos de Espaa.

1.3.BREVE REFERENCIA A LA EVOLUCIN HISTRICA DE LOS GRANDESTNELES

El incremento de la productividad que supuso la llegada de la Revolucin Industrialdurante el siglo XIX produjo una gran extensin de la red ferroviaria europea, motivada

por la necesidad de expandir el comercio. Esta extensin se consigui sin mayoresdificultades en todos los pases de la gran llanura europea as como en Inglaterra, pero elcruce de las grandes barreras naturales se convirti en un handicap para el crecimientocomercial de determinadas regiones. As, los primeros trazados ferroviarios surgidos

para salvar las grandes cordilleras buscaban largos recorridos aprovechando los vallesfluviales para disminuir la pendiente, buscando de igual modo minimizar la longitud delos tneles y viaductos que, inexorablemente, resultaban necesarios en gran parte dedichos trazados. De esta forma, los primeros cruces de la gran barrera de los Alpesfueron el resultado de este compromiso, con tneles cortos a grandes altitudes einterminables rampas ferroviarias de pendiente admisible y radios mnimos. Peroincluso con este nivel de compromiso, surgieron los primeros tneles de gran longitud.En la tabla 1.1 se muestran algunas de sus principales caractersticas.


9/87


3

Tabla 1.1.Primeros tneles ferroviarios de gran longitud. Fuente: [12]

Cabe destacar que la realizacin del tnel, de Mont-Cenis, de 13,7 km, supuso unextraordinario campo de experiencias para las primeras aplicaciones del airecomprimido en la perforacin de tneles. Por otra parte, el tnel de San Gotardo alcanznotoriedad por la construccin de sus clebres tramos helicoidales en ambas vertientes,como puede apreciarse en la figura 1.1.

Figura 1.1.Trazado del antiguo tnel de San Gotardo. Fuente: [9]


10/87


4

En Japn la construccin de los primeros tneles de gran longitud comenz entorno alao 1920, con los tneles de Shimizu (9,7 kms) y Tanna (7,8 kms). A partir de laSegunda Guerra Mundial, el desarrollo de la red ferroviaria qued sustituido por el augedel transporte por carretera, principalmente en los Estados Unidos y en Europa.Comenzaron a desarrollarse en la mayora de los pases industrializados las redes deautopistas y carreteras de altas prestaciones. Con este desarrollo llegaron tambin losgrandes tneles carreteros: Mont Blanc (1965, longitud 11,6 kms) y San Gotardo (1980,longitud 16,9 kms) entre otros. Japn, sin embargo, persever en el desarrollo de su redferroviaria, dando lugar a los famosos trenes-bala en la dcada de los sesenta, y en 1971,tras ms de 10 aos de investigaciones y diseo, comenz la construccin del tnel quea da de hoy contina siendo el de mayor longitud del mundo en servicio, el tnel delSeikan, que enlaza las islas de Honshu y Hokkaido con una longitud de 53,8 kilmetrosy cuya puesta en servicio se produjo en el ao 1988. La construccin del tnel de Seikanse ha visto continuada por una larga lista de proyectos de tneles de gran longitud, que

se resumen en la tabla 1.2.

Tabla 1.2.Lista de tneles de gran longitud posteriores al tnel de Seikan. Fuente: [12]

La lista de tneles mundiales en servicio, en ejecucin, o en proyecto, de longitudesentre 10 y 23 kilmetros puede ser inagotable, a pesar de estar hablando de tneles delongitudes enormes. Esto puede llevar a pensar al profano en la materia que se trata deactuaciones perfectamente asumibles, cuando, en realidad, cada uno de estos tneles es

una gran obra singular [12].

1.4.TIPOS DE TNELES FERROVIARIOS

Es habitual recurrir a clasificar los tneles en funcin de la altitud geogrfica por la quediscurren, diferencindose habitualmente los denominados tneles de cota, de mediaaltura y de base [9]. La figura 1.2 permite visualizar la citada clasificacin.

Al primer grupo pertenecen en general los tneles de carretera y se caracterizan por surelativa corta longitud. En el mbito ferroviario cabe destacar el tnel de Albula, cuyo

punto culminante se encuentra a 1823 m de altura.


11/87


5

En el segundo grupo, formado por los tneles de media altura (1100-1300 m), seencuentran la mayor parte de los primeros tneles ferroviarios de gran longitud, como eltnel de Mont-Cenis (1298 m), Alberg (1311 m), Ltschberg (1240) y San Gotardo(1151 m).

Finalmente, en el grupo de los tneles de base se sitan los tneles construidos a lascotas ms bajas, atravesando los macizos montaosos a cota de valle y soportando unascoberteras que pueden llegar a ser tremendamente grandes. Esta tipologa de tnel

permite reducir considerablemente la pendiente de la lnea frrea a la que pertenece, porlo que la gran mayora de los tneles de las lneas de alta velocidad, y en concreto los degran longitud, pertenecen a este grupo.

Figura 1.2.Clasificacin de los tneles en funcin de la altitud geogrfica. Fuente: [9]

1.5.TNELES FERROVIARIOS DE GRAN LONGITUD ANALIZADOS

1.5.1. Caractersticas generales

La tabla 1.3 muestra las caractersticas generales de los 8 tneles objeto de anlisis.

TNELES FERROIARIOS DE GRAN LONGITD

N P L A GL

()F

S. G S M A 57 (2017)

B AI BP A 55 (2020)

S J T E T 53,9 1988

M D'A FI LT A 53,1 (2020)

E FI PL C M 50,5 1994

L S BM A 34,6 2007

G E M S G 28,4 2007

P E LA P P 24,9 (2012)

Tabla 1.3.Caractersticas generales de los tneles estudiados. Fuente: elaboracin propia


12/87


6

1.5.2. Principales escenarios

1.5.2.1.Suiza

El constante crecimiento del trfico de pasajeros y de mercancas desde 1980 lleg acolapsar las infraestructuras existentes. Este hecho impuls en 1992 la aprobacin de unambicioso plan de infraestructuras llamado the New Rail Link through the Alps(NRLA), con el objetivo de canalizar la mayor parte del creciente trfico a travs delferrocarril. Al desarrollar este plan, Suiza se integra en la creciente red europea de altavelocidad y consigue acercar los centros econmicos de ambos lados de los Alpesconectando la red de alta velocidad alemana con la italiana.

El NRLA incluye dos nuevos tneles ferroviarios, uno a travs del macizo deLtschberg, el tnel de base de Ltschberg con una longitud de 34,6 km y otro a travs

del macizo de San Gotardo, el tnel de base del Gotardo con una longitud de 57 km.Ambos tneles se pueden visualizar en el mapa de suiza de la figura 1.3.

Figura 1.3.Red Ferroviaria suiza. Fuente: [1]

Tnel de base del Gotardo

El tnel de base del Gotardo es un tnel ferroviario bajo los Alpes en Suiza y formaparte de la nueva lnea Zrich-Miln. Con una longitud de 57 km y un total de 151,84km de tneles excavados, es el tnel ferroviario ms largo del mundo. Las bocas deltnel estn situadas cerca de las ciudades de Erstfeld (norte) y Bodio (sur).

La perforacin concluy el 15 de octubre de 2010 y su entrada en servicio est previstapara el ao 2017.


13/87


7

El proyecto de la nueva lnea de alta velocidad entre Zrich y Miln contempla laconstruccin de otros dos tneles de base de gran longitud: el tnel de base deZimmerberg de 20 km de longitud y el tnel de base de Ceneri de 15,4 km de longitud,como puede apreciarse en la figura 1.4.

Figura 1.4.Planta del eje de St. Gotthard. Fuente: [2]

La construccin de los tres tneles de base posibilita la creacin de una lnea ferroviariaultramoderna, cuyo punto ms elevado se encontrar a tan solo 550 metros sobre elnivel del mar, a la altura de la ciudad de Berna, como se puede observar en el perfillongitudinal de la figura 1.5.

Figura 1.5.Perfil longitudinal del eje de St. Gotthard. Fuente: [2]


14/87


8

Tnel de base de Ltschberg

El tnel de base de Ltschberg es un tnel ferroviario de 34,6 km de longitud que

atraviesa los Alpes en el oeste de Suiza y forma parte de la nueva lnea Berna-Miln. Eltnel une las poblaciones de Frutigen, en el valle de Kandertal y Raron en el valle deValais, como ilustra la figura 1.6.

Fue abierto al trfico ferroviario de mercancas el 16 de junio de 2007 y al de pasajerosel 9 de diciembre del mismo ao. Con su puesta en servicio, la lnea Ltschberg-Simplon constituye el primer eje ferroviario transalpino de gran galibo.

Figura 1.6.Planta de situacin del tnel de Ltschberg y delcentenario tnel de Simplon I. Fuente: [D]


15/87


9

1.5.2.2.Japn

Japn se convirti en 1964 en el primer pas del mundo en construir una lnea frrea dealta velocidad, al inaugurar la lnea de Tokaido Shinkansen.

La peculiar forma del pas nipn, de contorno alargado y estrecho, ha favorecido que elgobierno del pas apueste por la construccin de lneas de alta velocidad que permitan alos japoneses viajar de forma rpida entre los grandes ncleos de poblacin.

Cabe destacar que el conjunto de islas forman una cadena montaosa que ocupa lamayor parte del terreno disponible y que las grandes poblaciones se encuentranasentadas en las planicies cercanas a las costas del Ocano Pacfico y del Mar de Japn.Esta configuracin orogrfica obliga a la construccin de numerosos tneles y viaductosen los trazados de las lneas de alta velocidad y ha llevado a Japn a ser uno de los

pases con ms experiencia en la construccin de tneles ferroviarios de gran longitud.

Tnel de Seikan

El tnel de Seikan, con sus 53,85 km de largo, es el segundo tnel ferroviario ms largodel mundo. Une la Prefectura Aomori en la isla japonesa de Honshu y la isla deHokkaido por el estrecho de Tsugaru, como se puede visualizar en la figura 1.7.

Figura 1.7.Perfil longitudinal del Tnel de Seikan. Fuente: [I]

En 1964 se hundieron cinco ferries en el estrecho de Tsugaru y murieron 1430pasajeros. Esta tragedia provoc la decisin del gobierno nipn de unir estas dos islasmediante un tnel submarino. Las obras se prolongaron durante 25 aos, al no disponeren aquella poca de tuneladoras, y concluyeron en el ao 1988.

Actualmente, slo rieles estrechos atraviesan los tneles, pero el proyecto Hokkaido

Shinkansen (que empez a construirse en 2005) incluir el tendido de rieles duales yconectarn el tnel a la red Shinkansen de alta velocidad.


16/87


10

1.5.2.3.Tnel de base del Brenero

El tnel de base del Brenero es un tnel ferroviario proyectado a travs del Paso delBrenero en los Alpes y que conectar la ciudad austraca de Innsbruck con la localidaditaliana de Fortezza. La ruta a travs del paso del Breneroes una de las ms importantes

para atravesar los Alpes y forma parte del corredor transeuropeo Berln-Mnich-Verona-Roma-Palermo, ilustrado en la figura 1.8.

Figura 1.8.Situacin del tnel del Brenero en la nueva lnea Berln-Palermo. Fuente: [B]

El trnsito de pasajeros y de mercancas a travs de esta ruta se ha incrementado demanera exponencial generando un cuello de botella. A raz de esa situacin, fueincluido por el Consejo Europeo de Essen, en diciembre de 1994, entre los 14 proyectos

prioritarios de insfraestructuras, constituyendo el denominado proyecto de AltaVelocidad/Transporte Combinado Norte-Sur.

El tnel tendr una longitud de 55 km, por lo que se convertir en el segundo tnelferroviario ms largo del mundo una vez concluido (estimacin para 2020), solosuperado por el tnel de base del Gotardo.


17/87


11

1.5.2.4.Tnel de base de Mont DAmbin

El tnel de base de Mont DAmbin es la obra de ingeniera ms importante de la nuevalnea ferroviaria Lyon-Turn. Esta nueva lnea ser crucial dentro de la red ferroviariaeuropea, ya que interconectar 5000 km de lneas adicionales y facilitar la movilidad a

unos 250 millones de ciudadanos europeos. Estar situada en el corazn de los ejes queunen Europa del Norte con Europa del Sur (Londres-Amsterdam-Miln) y Europa delOeste con Europa del Este (Lisboa-Budapest, y a largo plazo, hasta Kiev), tal y comoilustra el mapa de la figura 1.9.

Figura 1.9.Nueva lnea Lyon-Turn, pieza clave en la red ferroviaria europea. Fuente: [11]

La nueva conexin ferroviaria permitir conectar las redes de alta velocidad francesas eitalianas, situando Lyon a menos de 1 hora y 45 minutos de Turn y Pars a poco ms de4 horas de Miln.

El tnel de base tendr una longitud de 53,1 km, convirtindose en el cuarto tnel mslargo del mundo, por detrs del tnel de Seikan y unir las poblaciones de Saint Jean deMaurienne en Saboya (Francia) y Chiusa San Michele, en el valle de Susa (Italia).


18/87


12

1.5.2.5.Espaa

Espaa es uno de los pases europeos con una orografa ms accidentada. Este hechoexplica que en el pas haya actualmente ms de 1700 tneles de ferrocarril, con un totalde 800 km.

La impulsin que est recibiendo la alta velocidad en Espaa desde hace veinte aos,est provocando el diseo y la construccin de nuevos tneles ferroviarios de granlongitud como los tneles de Pajares o el Tnel de Guadarrama.

Tneles de Guadarrama

El tnel de Guadarrama constituye la pieza fundamental de la nueva lnea ferroviaria dealta velocidad, denominada Nuevo acceso ferroviario al norte y noroeste de EspaaMadrid-Segovia-Valladolid/Medina del Campo, una de las ramas principales de la Red

Bsica de Alta Velocidad Espaola, que viene construyendo el Gestor deInfraestructuras Ferroviarias (GIF), Organismo del Ministerio de Fomento espaol.

Con sus 28,4 km de longitud, representa el tnel ms largo construido en Espaa, elcuarto ms largo de Europa y el quinto de todo el mundo a fecha de 2008. Iniciado afinales del ao 2002, su entrada en servicio tuvo lugar el 22 de diciembre del 2007 y ensu construccin han llegado a trabajar ms de 4.000 personas simultneamente. Es lamayor obra de ingeniera civil que se ha llevado a cabo en Espaa hasta el momento.

Esta infraestructura atraviesa la Sierra de Guadarrama partiendo desde el trmino

municipal de Miraflores de la Sierra (Madrid) a una cota a 998 m y alcanzando unaaltura mxima de 1.200 m, y volviendo a descender hasta los 1.114 m, ya en lasproximidades de la ciudad de Segovia, como puede observarse en la figura 1.10.

Figura 1.10.Planta de situacin del Tnel de Guadarrama. Fuente: [6]


19/87


13

Tnel de Pajares

Los tneles de base de Pajares forman parte de una actuacin de mayor embergaduradenominada Variante ferroviaria de Pajares y permitirn el paso a travs de laCordillera Cantbrica, constituyendo la infraestructura bsica de la nueva Lnea de Alta

Velocidad Len-Asturias. Con esta actuacin se consiguen superar las dificultadesorogrficas y morfolgicas que ha presentado histricamente el macizo cantbrico parala comunicacin ferroviaria entre la meseta castellanoleonesa y el Principado deAsturias.

Este proyecto reducir la longitud de recorrido existente en la actualidad de 83 a 50kilmetros, pasando a disponer de doble va en todo el trazado de la Variante, en lugarde la va sencilla que existe actualmente. Los tneles de Pajares se componen de dostubos paralelos, con una longitud de 24,9 kilmetros cada uno. Tal y como ilustra la

planta de situacin de la figura 1.11, la boca sur del tnel se encuentra ubicada en lasproximidades de la Pola de Gordon (Len) y la boca norte en la Pola de Lena (Asturias).

Figura 1.11.Planta de situacin de los Tneles de Pajares. Fuente: [3]

En 2009 finaliz la excavacin de los tneles y Adif sita su puesta en servicio para2012.


20/87


14

1.5.2.6.Tnel del Canal de la Mancha

El tnel del Canal de la Mancha, tambin conocido como Eurotnel , tiene una longitud

de 50,50 km, 39 de los cuales submarinos y fue inaugurado el 6 de Mayo de 1994,convirtindose en el segundo tnel submarino ms largo del mundo, por detrs del tnelde Seikan.

El Eurotnel est formado por tres tneles que conectan Gran Bretaa con el continenteeuropeo desde la terminal de Folkestone, en Kent, hasta la terminal de Coquelles, enCalais. En la figura 1.12 se puede apreciar la situacin de las dos bocas del tnel, aambos lados del Canal de la Mancha.

Figura 1.12.Planta de situacin del tnel del Canal de la Mancha. Fuente: [8]

El tnel del Canal es la infraestructura privada ms importante del mundo. Eurotunneles la sociedad privada gestora del proyecto y la encargada de gestionar el trfico

ferroviario. El servicio ferroviario ofrecido por esta empresa tiene dos variantes, por unlado el tren de pasajeros Eurostar, y por otro un tren destinado al transporte de vehculosllamado Shuttle. Esta infraestructura ha creado una unin alternativa entre las carreterasfrancesas y las del Reino Unido, capaz de competir con los tradicionales ferries.


21/87


15

2. CARACTERSTICAS ESPECIALES EN CUANTO A CRITERIOSDE DISEO

2.1.

DISEO DEL TRAZADO

2.1.1. Condicionantes del trazado

Los tneles ferroviarios de gran longitud (a diferencia de los tneles cortos) suelen serla obra civil de mayor importancia, tanto econmica como tcnicamente, dentro delconjunto de la obra de la lnea a la que pertenecen. Es por este motivo que su trazadocondiciona al trazado de la lnea y no al revs, como ocurre con los tneles cortos.

En el diseo del trazado de un tnel ferroviario de gran longitud se deben tener en

cuenta multitud de factores. Los de mayor relevancia se presentan a continuacin:

Es importante minimizar, en la medida de lo posible, la longitud de tnelcontinuo. Las dos importantes ventajas que se derivan de este hecho son, por unlado, la mejora de la seguridad en la construccin y explotacin del tnelacortando la distancia a zona segura, y por otro, la reduccin de plazo quesupone el poder atacar el tnel por diversos frentes.

Se debe minimizar la afeccin a zonas de alta riqueza medioambiental. Esteaspecto es especialmente crtico durante la fase de construccin, debido a la

enorme superficie de ocupacin, a los elevadsimos volmenes de materialextrados y al gran volumen de trfico de vehculos que requiere una obra deestas caractersticas. Cabe destacar que en fase de explotacin los tneles son delas tipologas de obra civil que ocasionan un impacto ambiental menor.

Se debe evitar, dentro de lo posible, tanto los puntos bajos como los puntosaltos. Los primeros ocasionan problemas de acumulacin de agua y los segundos

presentan problemas de ventilacin. Se debe estudiar muy a fondo la mejor ubicacin para las bocas del tnel,

evitando cualquier tipo de riesgo.

2.1.2.

Parmetros del trazado

Los trazados de los tneles analizados en el presente estudio, excepto el tnel del Canalde la Mancha, se proyectaron para la circulacin de trenes de alta velocidad. Para quelos trenes puedan circular a elevadas velocidades, los parmetros del trazado de lostneles deben respetar unos valores exigentes en cuanto a radios mnimos y pendientesmximas.


22/87


16

El radio en curva se limita para evitar o reducir los efectos negativos de los tresfenmenos siguientes que dependen de la velocidad:

Descarrile o vuelco del vehculo ferroviario. Fuerza transversal que ejerce el vehculo sobre la va y que tiende a desplazarla.

Las aceleraciones laterales de los vehculos se transmiten al pasajero afectandonegativamente al confort.

A continuacin se presentan los parmetros del trazado ms significativos de los tnelesobjeto de anlisis:

CARACTERSTICAS DEL TRAADO DE LOS TNELES ESTDIADOS

T

(/)

(/)

R ()

P ()

C

( ..)

S. G 250 160 3000 8 550

B 250 120 6,7 794

S 210 6500 12 240

M D'A 250 120 3200 12,5 750

E 160 120 4200 11 172

L 250 140 3200 13 828

G 350 8500 15 1200

P 350 160 3550 16,8 1139

Tabla 2.1.Caractersticas del trazado de los tneles estudiados.Fuente: elaboracin propia

Se puede observar como los tneles presentan unos radios mnimos muy generosos.Este hecho es doblemente beneficioso, ya que permite la circulacin a velocidadeselevadas sin la necesidad de recurrir a grandes peraltes, lo cual favorece enormemente la

buena conservacin de la plataforma ferroviaria, reduciendo los costes demantenimiento.

La tabla 2.1muestra cmo las pendientes mximas responden en general a criterios de

trfico mixto, respetando las Recomendaciones para el Proyecto de Plataforma de GIFque recomiendan valores no superiores a las 15 milsimas.

Es importante destacar que la velocidad mxima permitida por trazado puede versereducida notablemente debido a los fenmenos aerodinmicos que aparecen al circularun tren por un tnel de gran longitud. Consecuentemente, se aconseja analizar laslimitaciones ocasionadas por este ltimo fenmeno en los tneles de gran longitud paraevitar sobredimensionar el radio mnimo en curva.


23/87


17

2.2.DISEO DE LA SECCIN TRANSVERSAL

2.2.1. Introduccin

El anlisis de los problemas aerodinmicos en tneles se remonta a los aos 60 del siglo

pasado, con ocasin de la construccin de la lnea de alta velocidad entre Tokio yOsaka. Se constat que al entrar el tren en el tnel a una determinada velocidad, losviajeros pueden sentir molestias en los odos a causa del incremento de presin que se

produce en el interior del tren. Este hecho pas a ser el principal criterio a tener encuenta a la hora de disear la seccin transversal de los tneles ferroviarios.

Recientemente se ha descubierto que para longitudes de tnel superiores a 5-10 km, lafriccin tren-aire-tnel absorbe gran parte de la potencia del tren y la velocidaddisminuye enormemente si el dimetro del tnel es demasiado pequeo.

Se recomienda dirigir los criterios de diseo de la seccin transversal de los tneleslargos hacia la reduccin de la resistencia, por ser ms restrictivo que el criterio deconfort y con el objeto de mantener en lo posible la velocidad, lo que adems permitirel paso de cargas de mayor glibo.

2.2.2. Principales fenmenos que se producen al pasar un tren por un tnel

2.2.2.1.Entrada en el tnel: Ondas compresivas y expansivas

En el proceso de la entrada del tren en el tnel se genera una onda compleja

compresiva-expansiva-compresiva que se transmite a la velocidad del sonido a lo largodel tnel y se refleja cambiando de carcter en el portal del tnel opuesto al de entrada.

La mxima presin alcanzada depende de:

El coeficiente de bloqueo: relacin entre la seccin transversal del tren y la deltnel. Cuanto menor es el coeficiente de bloqueo, menor es el incremento de

presin que se produce en el interior del tnel. La velocidad del tren: A mayor velocidad, mayor incremento de presin. Longitud del tren: Cuanto mayor es la longitud del tren y la rugosidad de su

superficie, mayor es la resistencia al avance y la potencia necesaria paramantener la velocidad en el interior del tnel.

La forma de la cabeza de la locomotora: Influye en menor medida, pero resultaimportante disear las cabezas de las locomotoras optimizando su resistenciaaerodinmica.


24/87


18

Figura 2.1.Variacin de presin delante del tren en funcin de la velocidadde circulacin y el coeficiente de bloqueo. Fuente: [9]

La mnima presin alcanzada en la fase expansiva depende de la brusquedad de la fasede introduccin en el tnel de la locomotora de cola del tren. Entre otros factores, elespesor de la capa lmite al final del tren, influye en gran medida en la presin mnimaalcanzada en esta fase.

La sobrepresin residual por delante del tren, alcanzada una vez que se hanhomogeneizado las condiciones en el portal de entrada y se ha realizado la mezcla

turbulenta de la estela del tren, depende de la propia resistencia aerodinmica del tren enel interior del tnel.

Figura 2.2.Registro de presin a la altura del morro de la locomotora de cabeza.Generacin de la onda compresiva-expansiva-compresiva. Fuente: [10]


25/87


19

2.2.2.2.Presin en los laterales del tren en el tnel

La presin en el exterior del lateral del tren disminuye al introducirse el tren en el tnel,debido al efecto Venturi que conlleva el incremento de velocidad de paso de la corriente

por la seccin anular entre tren y tnel debido a la disminucin del rea de paso libre.

La presin exterior va disminuyendo desde el primer vagn hasta el ltimo.

Figura 2.3.Presiones a lo largo del tren en el interior del tnel en el mismo instante de tiempo.Depresin producida por el efecto Venturi. Fuente: [10]

La combinacin de este efecto con el de propagacin de las ondas de presin, generadascon la entrada del tren en el tnel determina la evolucin con el tiempo de la presin enel exterior del tren, durante todo su recorrido interior. En el exterior de un vagncualquiera, la presin inicialmente asciende, hasta que el coche es adelantado por laonda expansiva producida con la introduccin de la locomotora de cola del tren. A partirde ese momento, y hasta otros cruces con ondas reflejadas, la presin en el exterior delcoche es la resultante del efecto Venturi, junto con la sobrepresin existente en dicho

punto respecto de la presin atmosfrica exterior.

Por otro lado, con el objeto de diluir en un tiempo mayor el salto de las presiones en el

exterior del lateral del tren, as como, con el objeto de reducir, en la medida de loposible, la intensidad del pico de sobrepresin de la onda que se lanza hacia el interiordel tnel, en el proceso de la entrada, es aconsejable el diseo e instalacin dedispositivos amortiguadores en la entrada y en la salida del tnel. Cabe destacar que laaplicacin de estos dispositivos est justificada para los tneles cortos, ya que lostneles de gran longitud se disean, por razones de friccin, con dimetrosconsiderablemente mayores, cumpliendo los lmites de variacin de presin.


26/87


20

2.2.2.3.Circulacin del tren por el tnel: resistencia aerodinmica

Durante la circulacin por el interior del tnel se produce un incremento de laresistencia aerodinmica que se opone al movimiento, respecto de la existente a lamisma velocidad del tren en su movimiento fuera del tnel. En la resistencia

aerodinmica del tren influye la velocidad inducida por el propio tren, al airecircundante a lo largo del tnel en el sentido del movimiento.

La resistencia aerodinmica durante la circulacin interior es mxima entre la fase deentrada y el encuentro con la onda rebotada en extremo opuesto del tnel.

Es intuitivo que la rugosidad del revestimiento del tnel tambin debe jugar un ciertopapel en el incremento de la resistencia de avance, en consecuencia se ha establecido elcriterio de revestir los tneles con independencia de la necesidad estructural existente.

Figura 2.4.Influencia del rea de la seccin transversal en la resistencia al avance. Fuente: [9]

2.2.2.4.Superposicin de efectos en tneles de va doble

Los fenmenos descritos anteriormente se producen por cada tren que entra en el tnel.Naturalmente, pueden sumarse unos con otros y aumentar sus efectos en los tneles deva doble cuando tiene lugar un cruce de trenes. En este caso la curva de presin secaracteriza por una cada brusca de la presin, como la que tiene lugar al paso de unvehculo por un punto fijo, seguida de una cada de presin a causa del rozamiento y,finalmente, de un incremento de presin despus del paso de la cola del tren.

Las mayores cadas de presin se producen cuando uno de los trenes se encuentradetenido cerca de la entrada del tnel, de forma que la onda provocada por la entradadel tren A se refleje en el tren B y alcance la cabeza del tren A, antes que la onda

provocada por la entrada de la cola del tren A alcance la cabeza de ste.

Cabe destacar que la problemtica de la superposicin de efectos por cruce de trenes nose suele dar en los tneles de gran longitud, debido a que la mayora de ellos estnformados por dos secciones independientes.


27/87


28/87


22

2.2.3.2.Criterio de salud

Es un hecho que la mejora de los sistemas de estanqueidad de los trenes podra conducir

a aceptar elevados valores de variaciones de presin en el exterior de los trenes deviajeros al circular por el interior de los tneles. Los citados sistemas de estanqueidad,filtrando adecuadamente las citadas presiones, lograran que el confort del viajero no seviese afectado.

Es indudable que debe garantizarse que, ante cualquier situacin durante la explotacinferroviaria, la salud, ms que el confort del viajero, no se vea afectada. Enconsecuencia, se establece el criterio de que la seccin de un tnel ha de ser tal que parala mxima velocidad de circulacin programada y en previsin de que los sistemas deestanqueidad puedan o no funcionar, el viajero no experimente variaciones de presin

superiores a 10 Kpa. La aplicacin prctica de este criterio ha conducido alestablecimiento de grficos como el indicado en la figura 2.5, para distintas longitudesde tneles y velocidades de circulacin.

Figura 2.5.baco para dimensionar la seccin transversal de un tnelpor criterio de salud. Fuente: [9]

2.2.3.3.Incremento de la resistencia que se opone al avance del tren

La razn de las resistencias en el interior del tnel y a cielo abierto se llama factor del

tnel y, para la misma rugosidad del revestimiento, depende principalmente de larelacin de reas de las secciones transversales del tren y del tnel (coeficiente de


29/87


23

bloqueo). Asimismo depende de la longitud del tren y de la velocidad del mismo, ysecundariamente de otros factores concretos como la forma de las locomotoras del tren.

La resistencia al avance en el exterior del tnel viene generalmente expresada por laformula de Gawthorpe:

(2.3)Donde el coeficiente C se corresponde con el coeficiente de resistencia aerodinmica CDde la siguiente forma:

(2.4)Dentro del tnel, la estela confinada juega un papel importante. La correspondiente

expresin para el coeficiente de resistencia es:

(2.5)

con:y espesores calculados o medidos en la estela prxima dentro del tnelB0 coeficiente de bloqueo

A0 rea de la seccin transversal del trenUT velocidad media inducida en el tnel aguas arriba del trenU0 velocidad del tren

El factor de tnel aerodinmico queda determinado como el cociente entre loscoeficientes de resistencia aerodinmica del tnel y a cielo abierto. Este ltimo secalcula mediante la siguiente expresin:

(2.2)

Si se quiere mantener la velocidad del tren, la traccin disponible fija el factor del tnely a partir de ste se otiene la seccin libre mnima.

2.2.4. Efecto sobre la longitud del tnel

2.2.4.1.Tneles muy cortos

En los tneles con una relacin entre la longitud del tnel y la del tren de tan solo unoscientos de metros, el incremento de resistencia interior no tiene ninguna importanciadado que los trenes disponen de una gran reserva energtica en su masa inercial. Sinembargo, el sistema de ondas generado por las reflexiones en las bocas de entrada y


30/87


24

salida del tnel, de la onda percusiva producida en la entrada, puede provocar rpidasvariaciones de la presin en el interior de los coches no estancos, que podran superarlos lmites normativos que atienden al confort de los pasajeros. Esta es la razn de quelas variaciones de presin alcanzadas durante el trnsito, acoten la seccin mnima deeste tipo de tneles para cumplir la normativa correspondiente.

En este tipo de tneles cortos (menos de 1 Km) podra producirse el fenmeno de lasuperposicin temporal de las ondas, produciendo la suma de las dos ondas expansivascoincidentes, alcanzando una presin muy baja. A 100 Km/h la coincidencia aparece

para longitudes de tnel aproximadamente seis veces la longitud del tren. A 200 Km/hla longitud del tnel crtica es de tres veces la longitud del tren y a 300 Km/h dos vecessu longitud.

2.2.4.2.Tneles largos

En los tneles de longitudes de hasta 5 Km aproximadamente, tienen que tenerse enconsideracin tanto los fenmenos asociados con la transmisin de las ondas como losdebidos al incremento de resistencia del tren por la friccin.

2.2.4.3.Tneles muy largos

En los tneles de longitudes superiores a los 10 km (en los que se centra este estudio), eltiempo de trnsito es suficientemente alto como para que la reserva inercial del tren nosea suficiente para el mantenimiento de su velocidad mxima, por lo que el incrementode la resistencia aerodinmica pasa a ser el fenmeno fundamental y en el que se debe

centrar el diseo de la seccin transversal de este tipo de tneles.

2.2.5. Comparativa y anlisis de las secciones transversales de los tneles

estudiados

En la tabla 2.2 se muestran las caractersticas ms importantes de las seccionestransversales de los 8 tneles analizados en el presente estudio:

CARACTERSTICAS DE LAS SECCIONES TRANSERSALES DE LOS TNELES ESTDIADOS

T

(/) D ()

S (2)

S (2)

C.

S. G 250 8,5 52 10 (ETR) 0.19

B 250 8,1 46 10 (ETR) 0.22

S 210 9,6 74 12 (HIKARI) 0.16

M D'A 250 8,4 43 9 (TG) 0.21

E 160 7,6 45 9 (TG) 0.20

L 250 8,5 52 10 (ETR) 0.19

G 350 8,5 52 9 (AE) 0.17

P 350 8,5 52 9 (AE) 0.17

Tabla 2.2.Caractersticas de las secciones transversales de los tneles estudiados.Fuente: elaboracin propia


31/87


25

Se puede observar que la mayora de tneles tienen un dimetro entorno a los 8,5metros, por lo que se deduce que no se ha tenido en consideracin el criterio deresistencia aerodinmica a la hora de su diseo, ya que este ltimo criterio aconseja

dimetros entorno a los 10 metros.

Recientes estudios demuestran que dimetros del orden de los 8,5 metros resultaninsuficientes para mantener la velocidad de proyecto en los tneles de gran longitud,debido al efecto de la friccin del aire. Para estos dimetros, el factor del tnel se dobla

para un AVE actual y se triplica si la seccin transversal se ampla en un 50% como enun AVE de dos pisos. [10]

En estos estudios se modeliz la actuacin de un AVE de caractersticas reales, y deotro tren, geomtricamente semejante, pero de seccin ampliada hasta los 12,6 m2

(caracterstica de los ms modernos trenes Shinkansen de simple cubierta), en tneles de25 km de longitud y con dimetros interiores libres de 8,5 m, 10 m y 11,5 m.

En la tabla 2.3 se muestran los resultados del estudio en cuestin.

Tabla 2.3.Velocidades de paso mximas del AVE por un tnel de 25 km,

para distintos dimetros y pendientes. Fuente: [10]


32/87


26

Se observa que para la potencia mxima que el tren puede dar de forma continua, lavelocidad en el tnel no superar los 240 km/h en tneles de 8,5 m de dimetro interno.Los AVE de dos pisos no superarn los 170 km/h para un 0,5 % de pendiente y si estaaumenta hasta el 1% la velocidad baja hasta los 137 km/h.

Cabe destacar que, debido a la resistencia aerodinmica, el AVE nunca podr circularpor el interior de un tnel largo, de pendiente no negativa, a la velocidad de 350 km/h(velocidad de proyecto en los tneles de Pajares y Guadarrama), ya que para ellorequerira de un dimetro interior libre superior a los 14 m.

Los estudios realizados hasta la fecha sobre la aerodinmica de los tneles largos ponende manifiesto la necesidad de disear estos tneles con un dimetro interior libre de10,75 m, para que un AVE pueda circular a 300 km/h con una pendiente del 0,5 %,disponindose de un pequeo margen de reserva en el rgimen de traccin mximacontinua del tren.


33/87


27

3. CARACTERSTICAS ESPECIALES EN CUANTO A CRITERIOSCONSTRUCTIVOS

3.1.CONDICIONANTES GEOMECNICOS EN LOS GRANDES TNELES DE BASE

Los tneles de base de gran longitud se internan en el corazn del macizo montaoso,en zonas absolutamente desconocidas de las que no se dispone, habitualmente, deningn dato que pueda ayudar en la fase de diseo de la infraestructura. De esta forma,las incertidumbres geolgicas aumentan cuanto mayor es la profundidad a la que sedesarrolla el trazado del tnel; de igual modo, a mayor longitud del tnel, mayor es la

probabilidad de encontrar zonas potencialmente problemticas o fenmenos noprevistos inicialmente. El desarrollo de los trabajos de excavacin de tneles de estascaractersticas debe afrontar situaciones adversas, tales como:

Tensiones internas muy elevadas, caracterizadas por parmetros muycomplicados de estimar por medio de investigacin, especialmente las tensioneshorizontales.

Deformaciones plsticas y relajamiento del macizo de elevado desarrollo, comoconsecuencia de las tensiones internas del macizo.

Auto-estallido de rocas de extrema dureza (rock-bursting) Elevada presin del agua existente en el interior del macizo y elevados

gradientes de circulacin hacia el interior del tnel una vez efectuada laexcavacin. Afeccin derivada sobre el sistema hidrolgico del macizo

montaoso y sobre el equilibrio hidrolgico en superficie. Zonas de contacto, fallas, fracturas, cabalgamientos. Suponen zonas dbiles conmaterial muy alterado, con un comportamiento ms parecido a un suelo que almacizo rocoso. Dichas zonas adems suelen llevar asociada la presencia de aguaa elevadas presiones.

Fallas activas tectnicamente, con posibles desplazamientos de origen ssmico. Elevadas temperaturas en el propio material a excavar.

Las campaas de investigacin sern tanto ms costosas cuanto mayor sea la longituddel tnel y la profundidad a la que discurra. Pero estas campaas son absolutamente

necesarias para reducir las incertidumbres relacionadas con los parmetrosgeomecnicos del macizo que se pretende excavar.

En relacin a los medios constructivos, existe una tendencia clara en aumentar el uso delas mquinas de excavacin integral a seccin completa, a pesar de que dichas mquinas

pueden sufrir graves problemas si trabajan bajo determinadas condiciones geolgicas,pues no es factible, a da de hoy, la tuneladora universal capaz de adaptarse a cualquiersituacin geomecnica (los autores consideran, adems, que esta situacin queda anmuy lejana en el futuro progreso tecnolgico de las mquinas). De esta forma, lastuneladoras de roca se enfrentan a graves problemas de rendimiento o incluso a la

completa paralizacin si ocurre uno de los siguientes fenmenos:


34/87


28

Deformaciones plsticas severas y veloces. Existen ejemplos de atrape detuneladoras en terrenos muy deformables, donde ha sido necesario inclusoabandonar este mtodo de excavacin.

Zonas muy fracturadas con presencia de agua. El principal problema de una redde fracturacin intensa aparece cuando la excavacin pasa debajo de los vallesfluviales, debido a que la fracturacin puede conectar hidrulicamente el ro y eltnel, provocando la entrada de grandes caudales de agua en el tnel.

Zonas de fallas arenizadas. La presencia de material arenizado suele dar muchosproblemas a las TBMs. Si hay presencia de agua, el problema se agrava, debidoa que el material forma una especie de masa plstica que entorpece el trabajo delos cortadores y puede incluso llegar a bloquear la rueda de corte.

Algunas de las posibles soluciones a estos problemas de aplicacin en las TBMsson:

Si se conoce de antemano la posibilidad de hallar alguna zona en la que se puedaquedar atrapada la tuneladora, el escudo debe ser lo ms corto posible, paradisminuir la superficie potencial de atrapamiento.

Ante la presencia de terrenos muy deformables, la fuerza de empuje total de lasmquinas se ha de incrementar para compensar las posibles prdidas porrozamiento.

La incorporacin a la TBM de la posibilidad de desplazar independientementeel eje de la rueda de corte, permite realizar una sobreexcavacin extra con loscortadores perimetrales en caso de atrapamiento, y as facilitar el movimiento de

la TBM. La incorporacin de sistemas de sondas que permitan realizar perforaciones enel frente de excavacin y en todo el permetro del escudo, permite detectar laszonas ms peligrosas y planificar su excavacin con anterioridad.


35/87


29

3.2.MTODOS CONSTRUCTIVOS

3.2.1. Excavacin con mquinas integrales (TBM)

Casi todos los grandes tneles ejecutados en la ltima dcada estn siendo construidos

en su mayor parte por medio de mquinas integrales (Tunnel Boring Machines), capacesde excavar el tnel a seccin completa con rendimientos realmente elevados que

permiten reducir los largos plazos requeridos para la construccin de estas grandesobras. En la figura 3.1 se ilustra la evolucin del empleo de este tipo de mquinas en lasltimas dcadas.

Figura 3.1. Evolucin del empleo de TBMs en Suiza. Fuente: [19]

Estas mquinas arrastran tras la cabeza de corte una serie de plataformas, denominadaback-up, que adems de permitir la colocacin inmediata del sostenimiento, albergaotros equipos secundarios (ventilacin, evacuacin del material excavado, guiado de lamaquina, depsitos de mortero, colocacin de va para el acceso l frente, etc.).

Para poder amortizar la elevada inversin, tanto inicial como de mantenimiento, querequiere la excavacin con tuneladoras, los tneles a excavar deben tener al menos doskilmetros de longitud. Los grandes tneles ferroviarios presentan longitudes de ms de20 km, por lo que se pueden amortizar varias TBM para poder atacar por varios frentes

simultneamente.


36/87


30

En cuanto a la geometra del tnel, el uso de estas maquinas requiere que la seccintransversal sea circular, que en el trazado en planta el radio de curvatura mnimo no seainferior a 300 metros y que en el trazado en alzado, las pendientes mximas no superenel 4%. Estas limitaciones no resultan problemticas para los tneles ferroviarios de altavelocidad, ya que sus trazados presentan parmetros mucho ms restrictivos.

Otras limitaciones se refieren a la geologa y la geotecnia de los terrenos a atravesar.As, en terrenos excesivamente blandos o con problemas de sostenimientos podrandesaconsejar el sistema, ya que se podra encarecer considerablemente. La altaabrasividad de algunas rocas, as como los contenidos elevados de slice pueden

producir elevados desgastes en los cortadores y cangilones de cabeza, llegando adescartar la excavacin con TBM por problemas puramente econmicos.

Estas mquinas se dividen en dos grandes grupos: topos y escudos. Ambos difieren deforma importante segn el tipo o suelo que sea necesario excavar, as como de lasnecesidades de sostenimiento o revestimiento que requiera cada tipo de terreno.

3.2.1.1.Topos

Los topos se disean principalmente para poder excavar rocas duras y medias, singrandes necesidades de soporte inicial.

Constan de una cabeza giratoria, dotada de cortadores, que se acciona mediante motoreselctricos con dos velocidades de giro y que avanza en cada ciclo mediante el empuje deunos cilindros de empuje (2 o 4), que reaccionan sobre las zapatas de los grippers, los

cuales a su vez estn anclados contra la pared del tnel. En la figura 3.2 se puedeobservar la cabeza de uno de los topos empleados en el tnel de base del Gotardo.

Figura 3.2.Topo de HERRENKNECHT de los Tneles de base del Gotardo. Fuente: [2]


37/87


31

Los cortadores son discos de metal duro que giran libremente sobre su eje y son demayor dimetro cuanto mayor sea la dureza de la roca. En la figura 3.3 se puedeapreciar en detalle la apariencia de este tipo de cortadores. Actualmente, los msutilizados son los de 432 mm de dimetro, existiendo algunas realizaciones con 533 mm

para rocas muy duras. Normalmente, los cortadores se disponen en la cabeza de lamquina en forma de espiral, para que, al girar la misma, puedan describir crculosequidistantes, y nicamente hay una concentracin de cortadores en el centro de lacabeza para forzar la rotura de la roca en esa zona a modo de cuele. El mecanismo derotura de la roca, forzado en la zona central de la manera indicada, progresa en loscrculos siguientes hacia el espacio ya excavado, y para facilitar este trabajo se dota alas cabezas de una pequea conicidad.

Figura 3.3.Vista de detalle y en perspectiva de un cortador (Robbins Company). Fuente: [17]

Para la excavacin de los escombros producidos, la cabeza incorpora adems una seriede cangilones situados en su periferia que recogen el escombro y lo elevan para sudescarga en una cinta primaria.

El guiado de un topo se suele hacer materializando con rayo lser un eje paralelo al deltnel. En cualquier caso, es necesario cada vez que se adelante el lser y en lastangentes de entrada y salida a las curvas verificar el eje y la rasante con topografaconvencional.

El back-up incorpora transformadores y carretes de mangueras elctricas; captadores depolvo, casetes de ventilacin; polipastos para manejo de vas y dovela de solera y unsistema de evacuacin de escombros.

Para el sostenimiento en los casos de fracturacin ligera o media del macizo, se utilizanbulones como primer tratamiento, incorporando a la maquina bulonadoras hidrulicas ycolocadores de cerchas, con dispositivos que buscan la total mecanizacin del proceso.En los casos de fracturacin notable o rocas meteorizables el sistema idneo de

sostenimiento es el hormign proyectado o gunita.


38/87


32

3.2.1.2.Escudos

Los escudos se utilizan en su mayor parte en la excavacin de rocas blandas y en suelos,frecuentemente inestables y en ocasiones por debajo del nivel fretico, en terrenossaturados de agua que necesitan la colocacin inmediata del revestimiento definitivo del

tnel. Todos estos trabajos se realizan al amparo de una coraza que da el nombre a estetipo de mquinas.

Este tipo de tuneladoras tambin dispone de una cabeza giratoria, incluida en el primercuerpo de la coraza e igualmente accionada por motores elctricos, pero normalmenteincorpora picas o rascadores, y avanza mediante el empuje de una serie de gatos

perimetrales que se apoyan sobre el revestimiento definitivo de forma inmediata, ste sepuede incorporar al retraerse los gatos despus de cada avance. La cabeza giratoria estaccionada por motores hidrulicos que permiten una variacin constante de la velocidadde giro, entre 0 y 9-10 RPM y la reversibilidad de la misma. La cabeza normalmentemonta picas o cinceles, y en ocasiones puede incluso incorporar discos. En terrenos muyvariables se pueden colocar discos y picas a la vez. La cabeza tambin dispone de unaserie de aberturas, frecuentemente regulables, por las que el escombro arrancado pasa auna cmara en la que una cinta primaria se ocupa de su evacuacin.

En el segundo cuerpo de la coraza se encuentran los motores y los cuerpos de mando ycontrol.

En el tercer cuerpo de la coraza o cola del escudo, se sitan los cilindros de empuje y elerector de dovelas. Los cilindros de empuje estn distribuidos en toda la periferia de la

mquina, y estn equipados con zapatas articuladas que permiten el apoyo uniformesobre las dovelas del revestimiento. Su recorrido marca el ciclo del avance, estandonormalmente comprendido entre 1,20 y 1,50 m. Cuando ha finalizado cada ciclo deexcavacin, se retraen estos cilindros y, al amparo del tramo de coraza que queda libre,se procede a colocar un nuevo anillo de revestimiento mediante el erector de dovelas

El back-up incorpora los transformadores, casetes de cable, casetes de ventilacin,depsitos para el mortero de inyeccin, etc., y el sistema de evacuacin de escombronormalmente est formado por una cinta puente que aloja en su interior el tren

completo. Los sistemas de desescombro de los escudos suelen ser ms sencillos que enel caso de los topos, debido a que en cada ciclo de avance se debe colocar un anillo dedovelas (20-35 min de duracin), lo que permite el cambio de trenes sin interferenciascon el avance.

Los rendimientos de este tipo de TBM suelen ser muy elevados, aunque por lo generalmenores a los de los topos, como se demuestra en la comparativa de la tabla 3.1. Estadiferencia de rendimientos radica en la necesidad de los escudos de esperar a lacolocacin de los anillos para poder avanzar en la excavacin.


39/87


33

Tabla 3.1.Comparacin de avances de escudo (EPB) y topo (TBM). Fuente: [21]

En funcin de la estabilidad del frente de trabajo podemos hablar de escudos abiertospara frentes estables y de escudos cerrados para aquellos frentes que puedan presentarseales de inestabilidad. En la tabla 3.2 se representa la tipologa actual de estasmquinas.

Tabla 3.2.Tipologa de escudos. Fuente [17]


40/87


34

3.2.1.2.1. Escudos abiertos

Se utiliza normalmente cuando el frente del tnel es estable y las afluencias de aguareducidas, bien por trabajarse por encima del nivel fretico o bien por ser terrenosimpermeables.

En este tipo de escudos, el elemento excavador puede ser manual o estar constituido porun brazo excavador o un brazo rozador.

Dentro de este grupo, se deben incluir tambin los escudos mecanizados con cabezagiratoria, dotada de picas, que en ocasiones pueden ser cortadores de discos,convirtindose la mquina en un autntico topo escudado.

En cualquier caso, son mquinas relativamente sencillas, que se adaptan bien acondiciones variables de terreno, siempre que stas no sean extremadamente difciles.

Este tipo de mquinas no son muy utilizadas en los tneles de gran longitud debido alpeligro que supone tener el frente abierto en condiciones de elevadas presiones, por loque se suele recurrir a tipologas ms complejas.

3.2.1.2.2. Escudos cerrados

Estn diseados para trabajar en terrenos difciles, no cohesivos, con frecuencia bajo elnivel fretico y saturados en agua, en frentes claramente inestables.

Se puede distinguir entre los siguientes conceptos o tipos de mquinas, que se describen

a continuacin.

Escudos mecanizados de rueda o con cierre mecnico

En estas mquinas, se dispone de unas puertas de abertura controlada hidrulicamente,que en caso necesario se pueden cerrar totalmente, quedando el tnel sellado. Mediantela regulacin de la apertura de estas puertas, se puede controlar la cantidad de materialexcavado y que penetra en la cmara. Este sistema permite, adems, regular de un modomuy preciso el flujo de material procedente de la excavacin, que se puede excavarmediante una cinta transportadora convencional.

En cualquier caso, la mquina trabajara de forma parecida a un escudo de presin detierras, aunque lgicamente con limitaciones, sobre todo en presencia de agua. Por estemotivo est mucho ms extendido el uso de la tipologa EPB en la excavacin detneles de gran longitud.

Escudos presurizados con aire comprimido

El aire comprimido se ha utilizado desde hace bastantes aos para presurizar totalmentelos tneles construidos bajo freticos no muy importantes (0.1 o 0.2 Mpa), entre laexclusa inicial de entrada y el frente, en cifras ligeramente superiores a la carga agua +

terreno. En la figura 3.4 se muestra la cabeza de un escudo presurizado con airecomprimido.


41/87


35

La nica condicin era disponer de un terreno con coeficiente de permeabilidad al airebajo, constituido en su mayora por arenas finas, arcillas y limos.

Figura 3.4.Cabeza de un escudo presurizado con aire comprimido. Fuente [20]

El sistema, tericamente sencillo, hoy en da est prcticamente abandonado, ya quecualquier prdida de aire, ya sea en el frente del tnel o a travs del propiorevestimiento, podra originar una catstrofe. Adems, la descompresin exigida por lasnormativas actuales, para el personal que trabaja en estas circunstancias, encareceranotablemente el proceso.

En realidad, en la prctica, la presurizacin de la cmara frontal del escudo con airecomprimido ha quedado reducida a situaciones de emergencia en escudos de bentonita oEPB.

Hidroescudos o escudos de bentonita (Slurry Shield)

Los hidroescudos utilizan la propiedad tixotrpica de los lodos bentonticos paraconseguir la estabilizacin del frente del tnel. En la figura 3.5 se ilustra el esquemafuncional de un escudo de bentonita.

Figura 3.5.Esquema de un escudo de bentonita. Fuente [J]


42/87


36

Son mquinas adecuadas para trabajar en terrenos difciles, constituidos principalmentepor arenas y gravas u otros materiales blandos y fracturados bajo presin de agua, en losque la inyeccin de lodos, adems de contribuir a la estabilidad del terreno, ayuda altransporte mediante bombeo de los productos de excavacin.

La problemtica de este mtodo es que la separacin de la bentonita, se encarecemuchsimo cuando los materiales finos que pasan por el tamiz 200 superan cifras en elentorno del 20%. Adems, si hay partes apreciables de limos o arcillas, la separacin estcnicamente imposible. La gran variabilidad geolgica que presentan los tneles degran longitud desaconseja el empleo de este tipo de maquinaria.

Escudos de frente en presin de tierras (EPB)

En este tipo de escudos, llamados E.P.B. (Earth Pressure Balance) se abarcanprcticamente la totalidad de terrenos que pueden presentar inestabilidades.

La idea de estas mquinas, viene en parte de los hidroescudos y en parte de los escudosde rueda presurizados con aire comprimido. Del primero toma el principio delsostenimiento del frente mediante un equilibrio de la presin del terreno ms el agua,con la presin que se mantiene en la cmara de la cabeza del escudo, y del segundo el

principio de evacuar el escombro en un estado prximo al slido mediante un tornillosinfn en la fase de paso a la presin atmosfrica y por medios convencionales en la fasefinal. En la figura 3.6 aparece una de las EPB utilizadas en la excavacin del Eurotnel.

Figura 3.6.EPB utilizada en la excavacin del Tnel del Canal de la Manchadesde el lado francs. Fuente: [K]


43/87


37

En los terrenos arenosos o con gravas que presentan una plasticidad muy baja o nula, esnecesario inyectar en la cabeza de la mquina una serie de productos que, en forma de

polmeros o espumas, se mezclan con el terreno y el agua que contiene, mejorando laplasticidad y colaborando eficazmente en la estabilidad del frente.

Para controlar el sistema de equilibrio por presin de tierras es necesario el control delvolumen de escombro desalojado, lo que se consigue controlando y manteniendoconstante la velocidad del tornillo sinfn en relacin con la presin de tierras dentro dela cmara. La mquina dispone de detectores de presin en cabeza, cmara y tornillocuyas lecturas permiten el control de la estabilidad del frente.

Hoy en da, el sistema de presin balanceada de tierras se corresponde con la tecnologapredominante en todo el mundo para la excavacin de tneles en suelos bajo nivelfretico.

3.2.1.3.Dobles escudos

Son mquinas concebidas basndose en un escudo telescpico articulado en dos piezas,que adems de proporcionar un sostenimiento continuo del terreno durante el avance, deforma similar a como trabaja un escudo, permite en aquellos casos en que el terreno

puede resistir la presin de unos grippers, simultanear las fases de excavacin ysostenimiento, con lo que se pueden conseguir rendimientos muy elevados.

Normalmente presentan cabezas de corte mixtas que incorporan cortadores de disco ypicas simultneamente.

El escudo delantero, adems de servir como estructura soporte de la cabeza de corte,contiene el rodamiento principal, la corona de accionamiento y los sellos interno yexterno.

El escudo trasero, tambin llamado escudo de anclaje, es el que incorpora las zapatas delos grippers. Su extremo delantero se proyecta hacia delante dentro de una carcasasujeta al escudo delantero, permitiendo una accin telescpica que proporciona unsostenimiento continuo al terreno. La parte posterior de este escudo incorpora en suinterior al erector de dovelas y a los cilindros auxiliares de empuje, similares a los de unescudo normal.

En la figura 3.7 se puede apreciar la cabeza del doble escudo utilizado en la excavacinde los tneles de Pajares.


44/87


38

Figura 3.7.Doble escudo de HERRENKNECHT utilizado en los Tneles de Pajares. Fuente: [18]

En terrenos que permiten a la mquina fijarse con la ayuda de los grippers, la mquinaavanza mediante el empuje de los cilindros principales, que a su vez reaccionan sobre

las zapatas de los grippers. En el caso de terrenos inconsistentes, incapaces de resistir lareaccin al empuje con los grippers, el avance se realiza mediante el empuje de loscilindros auxiliares que reaccionan contra el obligado revestimiento prefabricado deltnel.

Estas mquinas son las ms verstiles, ya que al presentan caractersticas conjuntas delos topos y de los escudos, pueden trabajar en terrenos de muy diferente naturaleza. Estaversatilidad es la que las ha convertido, a pesar de su elevado coste, en una de lassoluciones ms empleadas en los tneles de gran longitud ms modernos.

3.2.1.4.

Caractersticas de las tuneladoras empleadas en los tneles estudiados

En la tabla 3.3 se incluyen datos interesantes sobre las tuneladoras empleadas en losdiferentes tneles analizados en el presente estudio. Cabe destacar que no se incluye eltnel de Seikan, debido a que no se emplearon este tipo de maquinas en su excavacin,as como el tnel de base de la lnea Lyon-Turn, ya que actualmente an se estndesarrollando las tareas de excavacin del tnel de servicio. El tnel de base delBrenero si que finaliz recientemente la excavacin de su tnel de servicio, por lo quese han presentado los datos referentes a esa excavacin.


45/87


39

CARACTERSTICAS DE LAS TBM EMPLEADAS EN LOS TNELES ESTDIADOS

TL

()T T TBM

D

TBM()

%

TBM

A

TBM(/)

S. G 57.0G

T (HERRENKNECHT) 10.7

65 465T (HERRENKNECHT) 10.7

T (HERRENKNECHT) 11.1/13.4

T (HERRENKNECHT) 11.1/14.1

B 55.0G

D ( ) 10.4 70* 480

E 50.5A ,

T ( N. .) 17.7

100

690

T ( S. .) 18.8 810

T ( N. .) 7.9 600

T ( S. .) 7.9 660T ( .) 21.8 650

T ( .) 7.9 600

EPB ( N. ) 20.0 680

EPB ( S. ) 18.9 700

EPB ( ) 6.5 330

EPB ( ) 15.6 280

EPB ( ) 3.2 320

L 34.6

G,

G

T (HERRENKNECHT) 10.040 375

T (HERRENKNECHT) 18.5

G 28.4G

E (HERRENKNECHT) 14.2

100

435

E (IRTH) 14.2 498

E (HERRENKNECHT) 14.1 546

E (IRTH) 14.3 531

P 24.9P,

E (HERRENKNECHT) 15.0

100

403

E (NFMIRTH) 9.9 469

E (HERRENKNECHT) 9.8 358

E (NFMIRTH) 10.3 344

E (MITSBISHIROBBINS) 9.5 256

Tabla 3.3.Caractersticas de las TBM empleadas en los tneles analizados. Fuente: Elaboracin propia


46/87


40

3.2.2. Excavacin mediante el uevo Mtodo Austraco (.A.T.M.)

Bajo las siglas de N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method) se halla uno de losmtodos de diseo y ejecucin de tneles en roca ms extendidos y de mayor xito entodo el mundo dentro del mbito de la ingeniera civil. [17]

Se debe puntualizar que no se trata de un "mtodo", propiamente dicho, sino ms biende una "filosofa de actuacin", llegando a decir Bieniawski en 1989 que "the word -method- in the english translation is unfortunate, as it has led to somemisunderstanding.

Se basa en la integracin del terreno que rodea a la excavacin en el anillo estructuralautoportante formado entorno a la cavidad. Dicho mtodo pretende relajar el estadotensional del macizo rocoso entorno al tnel, permitiendo su deformacin hasta un

punto de equilibrio en que el sostenimiento controla dicha deformacin. Esto se

consigue mediante tcnicas de auscultacin y medida de convergencias, para controlarlas deformaciones en todo momento y evitar que estas sean excesivas, por lo que se

puede realizar el tnel con un costo mnimo y una mxima seguridad.

La gran baza del mtodo es su adaptabilidad a diferentes secciones, as como acondiciones geomecnicas variables, gracias al abanico de posibilidades que da el poderaplicar diferentes tipos de sostenimientos en funcin de las medidas de convergencia.Estas ventajas lo han llevado a ser el principal mtodo de excavacin de las galerastransversales de los tneles de gran longitud modernos, as como de sus galeras deacceso.

El mtodo se basa en veinte principios fundamentales, siendo cinco los msimportantes:

Utilizar la propia roca como elemento resistente frente a los incrementos localesde tensin que se producen durante la excavacin.

Utilizar mtodos de excavacin que minimicen el dao producido al macizo, congunitados de proteccin nada ms excavar.

Instrumentar las deformaciones en funcin del tiempo, con ayuda declasificaciones geomecnicas y ensayos de laboratorio.

Colocar sostenimientos iniciales flexibles, protegiendo el macizo demeteorizaciones, descompresiones, etc, con la velocidad adecuada, para evitar elcomienzo de daos.

Colocar el revestimiento definitivo, si es necesario, tambin flexible,minimizando as los momentos flectores, aadiendo resistencia adicional concerchas o bulones, pero no con secciones rgidas.


47/87


41

En la ejecucin de un tnel por el Nuevo Mtodo Austraco, se comienza por laexcavacin de la bveda, avanzando entre 1 y 3 metros de longitud. A continuacin secoloca un sostenimiento provisional, habitualmente cerchas de acero unidas portresillones metlicos, que en ocasiones se sella mediante una capa de hormign

proyectado. Detrs, con un desfase de unos 18 m, se hormigona la bveda con elrevestimiento definitivo. Posteriormente, se excava la destroza en forma de caja central,dejando algo ms de un metro de terreno prximo a los hastiales, para que sirva deapoyo a la bveda y los empujes que sta transmite no originen roturas. A continuacinse excavan los hastiales por bataches al tresbolillo, y se hormigonan en una longitudsimilar a la de un anillo (aproximadamente 2.5 m); y por ltimo, se excava y hormigonala solera o contrabveda. En la figura 3.7 se muestran de forma esquemtica las tareasde colocacin de los distintos sostenimientos empleados por el NATM.

Figura 3.7.Esquema tridimensional que representa las tareas de colocacin de los distintossostenimientos en la excavacin de un tnel por el NATM. Fuente: [17]

Los revestimientos definitivos ms empleados por el NATM son los siguientes:

Bulones: Los bulones son barras de acero (o fibra si el uso es en el frente) que se

anclan en el terreno a travs de la bveda, mediante resinas o lechadas dehormign, y que pueden tener longitudes variables (3-12 m normalmente) ydimetros entre los 16 y los 25,4 mm. Son piezas sometidas a traccin y puedenser activos o pasivos (entran en carga cuando se deforma la roca). A mayoresdensidades y mayor longitud y seccin, ms resistente ser la corona de sujecinque forma el conjunto de bulones con la roca. Los bulones tienden a ser uno odos rdenes de magnitud ms flexibles que los revestimientos continuos.

Cerchas metlicas: Son arcos de acero colocados por piezas que van unidas, obien con bridas atornilladas (tipo TH) o bien soldadas (tipo HEB). En la figura3.8 se ilustran tareas de instalacin de este tipo de sostenimiento. Este tipo desostenimiento se utiliza en zonas con terrenos que presentan una resistencia baja,


48/87


42

tales como fallas o zonas plastificadas. A mayor densidad de cerchas por tramo,la resistencia estructural obtenida ser mayor. Es importante conocer la cargamxima que pueden resistir antes de romper.

Figura 3.8.Instalando cerchas metlicas en el tnel de acceso de Faido (San Gotardo). Fuente: [2]

Hormign proyectado/gunita: Es el sostenimiento ms empleado en la

excavacin de tneles por el NATM. Se aplica al menos una capa de hormigndespus de cada avance en la prctica totalidad de terrenos. La densidad delhormign es un parmetro clave, ya que si el hormign es muy poco denso, notendr la adherencia necesaria, y si es muy espeso no se podr proyectar confacilidad. La rigidez de la capa de hormign depende directamente de suespesor, no tanto del mallazo, cuyo papel es asegurar la continuidad de la

proteccin y evitar fisuraciones locales.La gunita, es un tipo de hormign proyectado al que se le ha aadido un armadoen forma de fibras. Se suele utilizar para estabilizar el frente antes de colocar elsostenimiento.

Los mtodos de excavacin empleados bajo la filosofa del NATM son bsicamentedos: excavacin con explosivos y excavacin mecnica mediante mquinas rozadoras.

3.2.2.1.Excavacin con explosivos

El mtodo de perforacin y voladura es uno de los ms utilizados en tneles de roca,sobre todo cuando sta es muy resistente y/o abrasiva. Consiste bsicamente en realizarunos taladros llamados barrenos, cargarlos de explosivos y detonarlos. La detonacin

produce una onda expansiva que fractura la roca. Por estas fracturas penetran los gases

producidos en la explosin y estos terminan empujando y desmenuzando la roca,obteniendo la granulometra prevista en el diseo de la carga.


49/87


43

El ciclo bsico de excavacin consta de las siguientes operaciones (esquematizadas enla figura 3.9):

1. Replanteo topogrfico en el frente del esquema de tiro.2. Perforacin de los barrenos mediante jumbos o martillos perforadores manuales.

3.

Carga de los barrenos con explosivos.4. Voladura y extraccin de los gases txicos.5. Retirada del escombro y saneo del frente, bveda y hastiales.6. Sostenimiento (bulonado y gunitado).

Figura 3.9.Diferentes tareas realizadas durante la excavacin medianteperforacin y voladura en el tnel de base del Gotardo. Fuente: [2]

El esquema tpico de voladura consta de las siguientes zonas:

Cuele: Por cuele entendemos una parte de barrenos, cargados o no, cuya misinser la de crear un hueco inicial en la galera, de forma que los barrenos

posteriores, encuentren ya en su disparo una cara libre inicial creada.Generalmente se suele situar en el centro aproximado de la galera. Lascaractersticas bsicas del cuele son una elevada penetracin especfica y unconsumo especfico de explosivo muy elevado.

Contracuele: Por contracuele entendemos la corona de barrenos que circunvalaa los del cuele. Mientras el cuele crea un primer hueco, el contracuele loensancha para preparar la cara libre a la destroza o voladura principal, con unmayor hueco que permita la evacuacin del escombro de la misma. Enconsecuencia, en el contracuele hay menos perforacin especfica, todos los

barrenos estn cargados, pero con un menor consumo especfico que el cuele,aunque continan siendo tiros claramente sobrecargados. Destroza: Comprende el rea de barrenos entre el contracuele y el lmite del

recorte. Esta es la voladura principal, en cuanto a volumen de arranque en lagalera. El esquema utilizado en una destroza, es funcin del tipo de roca,diaclasado, dimetro de perforacin, profundidad de avance, tipo de explosivo,secuencia de encendido, granulometra deseada y geometra de la excavacin. Elesquema suele ser ms abierto, con consumos especficos de explosivo menoresque en los casos anteriores.


50/87


44

Recorte: Por recorte entendemos la fila o corona de barrenos que marca laseccin del tnel por el techo y los hastiales. Estos barrenos, siempre un pocoangulados, aparte de arrancar su piedra, deben marcar el perfil final del tnel.Por tal motivo, su nmero, espaciamiento y carga, son determinantes de lacalidad de la terminacin del perfil final.

Zapateras: Por estos barrenos entendemos los de piso de tnel. Estos barrenos,ltimos en dispararse generalmente, son tiros pinchados y sobrecargados pues

precisan una energa adicional para conseguir el levante de la piedra que losafecta, en contra de la gravedad. [20]

En la figura 3.10 aparece una seccin de tnel en la que se pueden apreciar las zonas devoladura tpicas.

Figura 3.10.Zonas de voladura en el esquema clsico. Fuente: [20]

3.2.2.2.Excavacin con mquinas rozadoras

Las rozadoras son mquinas excavadoras que tienen un diseo modular, comoconsecuencia de que en muchos casos es preciso su montaje o reparacin en espacioscerrados de dimensiones reducidas.

Bsicamente, realizan su trabajo mediante una cabeza giratoria, provista deherramientas de corte que inciden sobre la roca, y que va montada sobre un brazomonobloque o articulado, como ilustra la figura 3.11. Adems consta con un sistema derecogida y transporte de material que lo evacua desde el frente de arranque hacia la

parte trasera de la mquina. Todo el chasis va montado sobre un chasis mvil de orugas.


51/87


45

Figura 3.11.Rozadora Alpine de 100 T y con cabeza transversal. Fuente: [L]

Hoy en da la excavacin de tneles con rozadoras o minadores se realiza generalmenteen terrenos de resistencia media-blanda y obras de longitudes pequeas, inferiores a losdos kilmetros, donde no son ren

Contribucion Al Estudio de Los Tuneles Ferroviarios de Gran Longitud

Documents

Transcript of Contribucion Al Estudio de Los Tuneles Ferroviarios de Gran Longitud