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Geotecnia aplicada a la construcción de túneles

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En la PARTE I “GENERALIDADES EN LA GEOTECNIA DE TÚNELES” se hace referencia a algunos de los aspectos más generales de los túneles. Se comienza por una breve introducción a la historia de la técnica …

En la PARTE I “GENERALIDADES EN LA GEOTECNIA DE TÚNELES” se hace referencia a algunos de los aspectos más generales de los túneles. Se comienza por una breve introducción a la historia de la técnica de construcción de túneles y a las fuerzas resistentes que deben de hacer frente los túneles. A continuación se desarrolla el grueso del capítulo relatando el estado del arte en la geotecnia de túneles, desde las distintas clasificaciones de roca desde el punto de vista de la geotecnia a los distintos métodos de sostenimiento. Para finalizar se hace una breve introducción a la hidrogeología de túneles y la maquinaria de perforación y construcción de los mismos.

La PARTE II “GEOTECNIA DE TÚNELES EN ROCA DURA” comienza con unas generalidades acerca de la excavación de túneles y su sostenimiento. Se continúa con el Nuevo Método Austriaco y los métodos de sostenimiento para finalizar con una serie de recomendaciones para la correcta ejecución de túneles.

La PARTE III “GEOTECNIA DE TÚNELES EN ROCA BLANDA” presenta en el primer capítulo una introducción acerca de los métodos de construcción de túneles en terrenos no cohesivos. Continúa con una descripción de la maquinaria utilizda en su construcción y de los llamados “falsos túneles”, para acabar describiendo los métodos del sostenimiento del frente.

Por último, se presenta un ANEXO en el que se desarrolla a modo de ejemplo de empleo de los conocimientos expuestos anteriormente un breve dossier acerca de la construcción del Túnel de Brotons en la C‐47 (Torrelló‐Olot).

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  • 1. SALVADOR NAVARRO CARRASCO RAÚL PRIMITIVO ORTIZ GÓMEZ JUAN ANTONIO RUIZ MARÍN ASIGNATURA DE OBRAS GEOTÉCNICAS GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES
  • 2. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PRÓLOGO    A la hora de enfrentarnos a un tema tan extenso como la geotecnia de túneles nos encontramos un  tanto  desbordados  en  un  primer  momento.  Por  eso  decidimos  segmentar  la  geotecnia  aplicada  a  la  construcción de túneles en tres partes diferenciadas para tratarlas personalmente, dando formato a este  trabajo.    En la PARTE I “GENERALIDADES EN LA GEOTECNIA DE TÚNELES” se hace referencia a algunos de los  aspectos más generales de los túneles. Se comienza por una breve introducción a la historia de la técnica  de construcción de túneles y a las fuerzas resistentes que deben de hacer frente los túneles. A continuación  se  desarrolla  el  grueso  del  capítulo  relatando  el  estado  del  arte  en  la  geotecnia  de  túneles,  desde  las  distintas  clasificaciones  de  roca  desde  el  punto  de  vista  de  la  geotecnia  a  los  distintos  métodos  de  sostenimiento. Para finalizar se hace una breve introducción a la hidrogeología de túneles y la maquinaria  de perforación y construcción de los mismos.    La PARTE II “GEOTECNIA DE TÚNELES EN ROCA DURA” comienza con unas generalidades acerca de la  excavación de túneles y su sostenimiento. Se continúa con el Nuevo Método Austriaco y los métodos de  sostenimiento para finalizar con una serie de recomendaciones para la correcta ejecución de túneles.    La  PARTE  III  “GEOTECNIA  DE  TÚNELES  EN  ROCA  BLANDA”  presenta  en  el  primer  capítulo  una  introducción acerca de los métodos de construcción de túneles en terrenos no cohesivos. Continúa con una  descripción de la maquinaria utilizda en su construcción y de los llamados “falsos túneles”, para acabar  describiendo los métodos del sostenimiento del frente.    Por  último,  se  presenta  un  ANEXO  en  el  que  se  desarrolla  a  modo  de  ejemplo  de  empleo  de  los  conocimientos expuestos anteriormente un breve dossier acerca de la construcción del Túnel de Brotons  en la C‐47 (Torrelló‐Olot).    Salvador Navarro Carrasco   Raúl Primitivo Ortiz Gómez   Juan Antonio Ruiz Marín       
  • 3. PARTE I GENERALIDADES EN LA GEOTECNIA DE TÚNELES
  • 4. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  1 ÍNDICE DE CAPÍTULOS  1.‐ HISTORIA DE LOS TÚNELES Y SU EVOLUCIÓN HISTÓRICA ............................................................................... 9  1.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................... 9  1.2.‐ EL TÚNEL EN LA HISTORIA DE LOS PUEBLOS ................................................................................................................. 9  1.3.‐ MÉTODOS DE EXCAVACIÓN ................................................................................................................................... 15  1.4.‐ RECONOCIMIENTO DEL TERRENO ........................................................................................................................... 17  2.‐ LA DINÁMICA DE AVANCE DEL TÚNEL ......................................................................................................... 20  2.1.‐ LOS CONCEPTOS BÁSICOS ..................................................................................................................................... 20  2.2.‐ EL MEDIO ......................................................................................................................................................... 23  2.3.‐ LA ACCIÓN ........................................................................................................................................................ 25  2.4.‐ LA REACCIÓN ..................................................................................................................................................... 26  3.‐ EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS ................................. 32  3.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 32  3.2.‐ CLASIFICACIONES ANTIGUAS ................................................................................................................................. 33  3.2.1.‐ Terzaghi (1946) ...................................................................................................................................... 33  3.2.2.‐ Lauffer .................................................................................................................................................... 35  3.2.3.‐ Deere et al (1967) .................................................................................................................................. 36  3.2.4.‐ RSR (Rock Structure Ratio) (Wickham, Tiedemann and Skinner, 1972) ................................................. 38  3.3.‐ CLASIFICACIONES MODERNAS................................................................................................................................ 40  3.3.1.‐ Sistema RMR (Bieniawski 1973, 1989) ................................................................................................... 40  3.3.2.‐ Sistema Q (Barton, Lien y Lunde, 1974) ................................................................................................. 45  3.3.3.‐ Comentarios finales ............................................................................................................................... 55  4.‐ TENSIONES EN TORNO A EXCAVACIONES.................................................................................................... 58  4.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 58  4.2.‐ ESTADO DE TENSIONES IN SITU .............................................................................................................................. 58  4.3.‐ ESTADO DE TENSIONES Y RESISTENCIA DE MACIZOS ROCOSOS ...................................................................................... 61  5.‐ RESISTENCIA DE LA ROCA MATRIZ Y MACIZOS ROCOSOS ............................................................................ 71  5.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 71  5.2.‐ INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL SOBRE LA ROCA MATRIZ ............................................................................................. 71  5.3.‐ CRITERIO DE ROTURA PARA LA ROCA MATRIZ ............................................................................................................ 72  5.4.‐ JUNTAS EN EL MACIZO ROCOSO ............................................................................................................................. 76  6.‐ INTERACCIÓN TÚNEL‐SOSTENIMIENTO ....................................................................................................... 84  6.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 84  6.2.‐ DETERMINACIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA ....................................................................................................... 87  6.2.1.‐ Elasticidad. Túnel circular en deformación plana .................................................................................. 87  6.2.2.‐ Elasticidad. Excavación esférica ............................................................................................................. 90  6.2.3.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb ............ 92  6.2.4.‐ Elastoplasticidad. Cavidad esférica. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb ............................................ 99  6.2.5.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Hoek‐Brown ............... 105  6.2.6.‐ Comentarios finales ............................................................................................................................. 108  6.3.‐ DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE CONFINAMIENTO (O CURVA DE SOSTENIMIENTO) ...................................................... 109  6.3.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 109  6.3.2.‐ Revestimiento anular de hormigón ...................................................................................................... 111 
  • 5. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  2 6.3.3.‐ Cerchas metálicas ................................................................................................................................ 111  6.3.4.‐ Bulones ................................................................................................................................................ 112  6.4.‐ DETERMINACIÓN DE LA DEFORMACIÓN PREVIA A LA INSTALACIÓN DEL SOSTENIMIENTO. UTILIZACIÓN DEL MÉTODO DE  CONVERGENCIA‐CONFINAMIENTO ....................................................................................................................................... 114  6.4.1.‐ Macizo En Régimen Elástico. Túnel Sin Revestir .................................................................................. 114  6.4.2.‐ Macizo en régimen elastoplástico. Túnel sin revestir .......................................................................... 115  6.4.3.‐ Túnel revestido ..................................................................................................................................... 115  7.‐ DRENAJE E IMPERMEABILIZACIÓN DURANTE LA CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN DE TÚNELES ................ 118  7.1.‐ ASPECTOS GENERALES. IMPORTANCIA DEL AGUA .................................................................................................... 118  7.2.‐ FLUJO DE AGUA HACIA UN TÚNEL ......................................................................................................................... 121  7.3.‐ EFECTO DE FLUJO SOBRE LAS CONDICIONES MECÁNICAS DE LOS TÚNELES ..................................................................... 126  7.4.‐ PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA DURANTE LA CONSTRUCCIÓN ..................................................................................... 143  7.5.‐ PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA DURANTE LA EXPLOTACIÓN ........................................................................................ 147  8.‐ MAQUINARIA DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ........................................................................................ 153  8.1.‐ INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ 153  8.2.‐ MÉTODOS DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES MEDIANTE PERFORACIÓN Y VOLADURA ............................................................ 153  8.2.1.‐ Maquinaria de perforación .................................................................................................................. 157  8.2.2.‐ Explosivos y detonadores ..................................................................................................................... 158  8.3.‐ EXCAVACIÓN CON MÁQUINAS INTEGRALES: TOPOS Y ESCUDOS ................................................................................... 159  8.3.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 159  8.3.2.‐ Topos ................................................................................................................................................... 160  8.3.2.1.‐ Descripción de la máquina .............................................................................................................................. 161  8.3.2.2.‐ Partes de un topo ............................................................................................................................................ 161  8.3.2.2.1.‐ Cabeza ..................................................................................................................................................... 161  8.3.2.2.2.‐ Grippers ................................................................................................................................................... 167  8.3.2.2.3.‐ Cilindros de empuje ................................................................................................................................ 167  8.3.2.2.4.‐ Back‐up .................................................................................................................................................... 167  8.3.2.3.‐ Guiado ............................................................................................................................................................. 169  8.3.2.4.‐ Limitaciones de utilización .............................................................................................................................. 169  8.3.2.5.‐ Rendimientos .................................................................................................................................................. 169  2.5.1. Factores que controlan el rendimiento de las máquinas tuneladoras ........................................................... 170  8.3.2.6.‐ Estimación del avance en roca dura ................................................................................................................ 171  8.3.2.6.1.‐ Índice de perforabilidad (D.R.I.) .............................................................................................................. 171  8.3.3.‐ Escudos ................................................................................................................................................ 177  8.3.3.1.‐ Partes de un topo ............................................................................................................................................ 177  8.3.3.1.1.‐ Cabezas o elemento excavador ............................................................................................................... 177  8.3.3.1.2.‐ Cuerpo de mando y controles ................................................................................................................. 178  8.3.3.1.3.‐ Cilindros de empuje y erector de dovelas ............................................................................................... 178  8.3.3.1.4.‐ Back‐up .................................................................................................................................................... 180  8.3.3.2.‐ Tipología actual ............................................................................................................................................... 181  8.3.3.3.‐ Escudos abiertos ............................................................................................................................................. 182  8.3.3.4.‐ Escudos cerrados ............................................................................................................................................ 184  8.3.3.4.1. Escudos mecanizados de rueda con cierre mecánico ............................................................................... 185  8.3.3.4.2.‐ Escudos presurizados con aire comprimido ............................................................................................ 186  8.3.3.4.3.‐ Hidroescudos o escudos de bentonita (Slurry Shield) ............................................................................. 186  8.3.3.4.4.‐ Escudos de frente en presión de tierras .................................................................................................. 188  8.3.3.5.‐ Guiado ............................................................................................................................................................. 190  8.3.3.6.‐ Limitaciones de utilización .............................................................................................................................. 191  8.3.3.7.‐ Rendimientos .................................................................................................................................................. 191 
  • 6. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  3 8.3.4.‐ Dobles escudos ..................................................................................................................................... 191  8.3.4.1.‐ Descripción de la máquina .............................................................................................................................. 191  8.3.4.1.1.‐ Cabeza de corte ....................................................................................................................................... 191  8.3.4.1.2.‐ Escudo delantero..................................................................................................................................... 192  8.3.4.1.3.‐ Escudo trasero ......................................................................................................................................... 192  8.3.4.1.4.‐ Sistema principal de empuje ................................................................................................................... 192  8.3.4.2.‐ Modo de operación ......................................................................................................................................... 192  8.4.‐ MÁQUINAS ROZADORAS .................................................................................................................................... 193  8.4.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 193  8.4.1.1.‐ Ámbito de utilización ...................................................................................................................................... 193  8.4.2.‐ Características generales ..................................................................................................................... 194  8.4.2.1.‐ Chasis y tren de rodaje .................................................................................................................................... 195  8.4.2.2.‐ Brazo y dispositivo de giro .............................................................................................................................. 195  8.4.2.3.‐ Equipo eléctrico .............................................................................................................................................. 196  8.4.2.4.‐ Sistema hidráulico ........................................................................................................................................... 196  8.4.2.5.‐ Cabeza de corte............................................................................................................................................... 197  8.4.2.6.‐ Sistema de recogida y carga ............................................................................................................................ 199  8.4.2.7.‐ Consola de control .......................................................................................................................................... 200  8.4.2.8.‐ Otros componentes adicionales ...................................................................................................................... 200  8.4.3.‐ Herramientas de corte ......................................................................................................................... 201  8.4.3.1.‐ Tipos de picas .................................................................................................................................................. 201  8.4.3.2.‐ Colocación de las picas .................................................................................................................................... 201  8.4.3.3.‐ Número y tamaño de las picas ........................................................................................................................ 202  8.4.3.4.‐ Portapicas ....................................................................................................................................................... 203  8.4.3.5.‐ Corte con chorro de agua ................................................................................................................................ 203  8.4.4.‐ Tipos de rozadoras ............................................................................................................................... 204  8.4.4.1.‐ Rozadoras de brazo ......................................................................................................................................... 205  8.4.4.2.‐ Rozadora de tambor ....................................................................................................................................... 205  8.4.4.3.‐ Rozador de cadenas ........................................................................................................................................ 205  8.4.5.‐ Criterios de selección de rozadores ...................................................................................................... 208  8.4.5.1.‐ Geometría de la excavación ............................................................................................................................ 208  8.4.5.2.‐ Características geomecánicas de las rocas ...................................................................................................... 208  8.4.5.3.‐ Cálculo de rendimientos ................................................................................................................................. 209  8.4.6.‐ Ventajas que ofrece el empleo de rozadoras ....................................................................................... 210  8.4.7.‐ Operatividad ........................................................................................................................................ 210  8.4.7.1.‐ Excavación del frente de avance ..................................................................................................................... 210  8.4.7.2.‐ Corte de rocas blandas .................................................................................................................................... 211  8.4.7.3.‐ El corte en materiales medios a duros ............................................................................................................ 212  8.4.7.4.‐ Perfilado .......................................................................................................................................................... 212  8.4.7.5.‐ Corte selectivo en rocas mixtas ....................................................................................................................... 212                     
  • 7. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  4 ÍNDICE DE FIGURAS  FIGURA 1. IMAGEN FICTICIA DEL TÚNEL IDEADO POR THOMÉ DE GARAMOND BAJO LAS AGUAS DEL CANAL DE LA MANCHA  (PROYECTO  PRESENTADO EN 1867 EN LA EXPOSICIÓN UNIVERSAL). .......................................................................................................... 9  FIGURA 2. GRABADO EXTRAÍDO DE LA OBRA DE DE RE METALLICA DEL AUTOR ALEMÁN GEORGIUS AGRICOLA ÉSTA, SIRVIÓ DE REFERENCIA  COMO MANUAL DE CONSULTA DURANTE LOS S. XVI‐XVII ..................................................................................................... 11  FIGURA 3. IMÁGENES DE LA ANTIGUA MINA DE DAROCA ............................................................................................................... 12  FIGURA 4. IMAGEN CORRESPONDIENTE A LA BENDICIÓN DE LOS RAÍLES DE LA VÍA DEL TÚNEL DE PERRUCA EN LEÓN (1884) ........................ 13  FIGURA 5. A LA IZQUIERDA UNA IMAGEN DE ÉPOCA DEL TÚNEL CONSTRUIDO BAJO LAS AGUAS DEL RÍO TÁMESIS Y A LA DERECHA OTRA DEL  ESCUDO UTILIZADO Y PATENTADO POR BRUNEL PARA ESTE MISMO PROYECTO (1843) ................................................................ 13  FIGURA 6. ESQUEMA DE LOS DIFERENTES MÉTODOS CONSTRUCTIVOS NACIONALES ............................................................................. 16  FIGURA 7. VISTA EN PERSPECTIVA DE UNA MODERNA TUNELADORA QUE SE UTILIZARÁ PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA FUTURA LÍNEA 9 DE  METRO EN BARCELONA .................................................................................................................................................. 17  FIGURA 8. DIFERENCIAS ENTRE LA CONSTRUCCIÓN SUBTERRÁNEA Y DE SUPERFICIE. ............................................................................. 20  FIGURA 9. DEFINICIÓN GRAFICA DEL EFECTO ARCO. ...................................................................................................................... 21  FIGURA 10. LA FORMACIÓN DEL EFECTO ARCO SE HACE PATENTE POR LA RESPUESTA EN DEFORMACIÓN DE LA MASA ROCOSA DE LA  EXCAVACIÓN. ............................................................................................................................................................... 22  FIGURA 11. FACTORES DE LA EXCAVACIÓN. ................................................................................................................................. 23  FIGURA 12. EL MISMO MATERIAL PUEDE ALCANZAR LA ROTURA CON DIFERENTES TIPOS DE COMPORTAMIENTO DE ACUERDO CON EL RANGO DE  TENSIONES. .................................................................................................................................................................. 24  FIGURA 13. ZONAS CARACTERÍSTICAS EN LA EXCAVACIÓN DE UNA GALERÍA........................................................................................ 25  FIGURA 14. PROPAGACIÓN DE LA ZONA PERTURBADA DURANTE EL AVANCE DE LA EXCAVACIÓN. ............................................................ 26  FIGURA 15. RESPUESTA DE CARGA SOLIDA. ................................................................................................................................. 27  FIGURA 16. RESPUESTA COMO BANDA DE PLASTIFICACIÓN. ............................................................................................................ 27  FIGURA 17. TIPOS DE REACCIÓN. .............................................................................................................................................. 28  FIGURA 18. SOBREEXCAVACIÓN E INFRAEXCAVACIÓN. ................................................................................................................... 29  FIGURA 19. FRENTE ESTABLE. .................................................................................................................................................. 30  FIGURA 20. FRENTE NO ESTABLE. ............................................................................................................................................. 30  FIGURA 21. FRENTE INESTABLE................................................................................................................................................. 30  FIGURA 22. DISTINTAS CLASIFICACIONES SEGÚN AUTORLAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS ESTÁN ADAPTADAS A LOS MACIZOS ROCOSOS  (COMO CONTRAPOSICIÓN A LOS SUELOS). LA TRANSICIÓN SUELO‐ROCA ES SIEMPRE DIFUSA. EL TÉRMINO "ROCA BLANDA", BASTANTE  GENERALIZADO, DEFINE ESTA TRANSICIÓN. LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE, QU DE LA ROCA INTACTA PROPORCIONA UN CRITERIO,  UTILIZADO POR MUCHOS AUTORES, PARA CLASIFICAR LA ROCA (FIG.22). LOS CRITERIOS SON DISPARES PERO EN GENERAL SE ACEPTA QUE  RESISTENCIAS INFERIORES A 1 MPA SON YA TÍPICAS DE LOS SUELOS. ........................................................................................ 32  FIGURA 23. ESQUEMA DE TERZAGHI. ........................................................................................................................................ 33  FIGURA 24. CLASIFICACIÓN MODIFICADA POR DEERE ET AL (1970) SOBRE LA DE TERZAGHI. ................................................................ 34  FIGURA 25. TIEMPO DE ESTABILIDAD DE LA EXCAVACIÓN VS LONGITUD LIBRE. ................................................................................... 35  FIGURA 26. CLASIFICACIÓN RABCEWIC, MÜLLER. ........................................................................................................................ 36  FIGURA 27. OBTENCIÓN DEL RQD. RELACIÓN FACTOR DE CARGA DE TERZAGHI‐RQD. RELACIÓN RQD‐LUZ Y TÚNEL‐TIPO DE SOSTENIMIENTO.  ................................................................................................................................................................................. 37  FIGURA 28. TABLA QUE RELACIONA EL RQD‐MÉTODO DE EXCAVACIÓN‐SISTEMAS DE SOPORTE ALTERNATIVOS. ...................................... 38  FIGURA 29. SQR. .................................................................................................................................................................. 39  FIGURA 30. SOSTENIMIENTO NECESARIO PARA CADA VALOR DE RSR ............................................................................................... 40  FIGURA 31. TABLA PARA OBTENER EL VALOR DEL RMR. ................................................................................................................ 41  FIGURA 32. SISTEMA RMR ..................................................................................................................................................... 43  FIGURA 33. SISTEMA RMR ..................................................................................................................................................... 44  FIGURA 34. TIEMPO DE ESTABILIDAD DE EXCAVACIONES SIN SOPORTE. ............................................................................................. 45  FIGURA 35. RECOMENDACIONES PARA EL SOSTENIMIENTO EN FORMA DE ARCO DE HERRADURA (10 M DE Φ, ΣV < 25 MPA). ..................... 45  FIGURA 36. ÍNDICES DE Q. ...................................................................................................................................................... 49 
  • 8. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  5 FIGURA 37. Q VS SPAN/ESR .................................................................................................................................................. 50  FIGURA 38.  VALORES ORIENTATIVOS DE ESR EN FUNCIÓN DEL TIPO DE EXCAVACIÓN .......................................................................... 51  FIGURA 39. CLASIFICACIÓN DE BARTON PARA LOS CASOS ESTUDIADOS. ............................................................................................ 54  FIGURA 40. TABLA ALTERNATIVA PARA EL CÁLCULO DE JA. ............................................................................................................. 55  FIGURA 41.COMPARACIÓN DE LOS DISTINTOS FACTORES QUE APARECEN EN LAS CLASIFICACIONES DE BIENIAWSKI (RMR) Y BARTON (Q). .... 56  FIGURA 42. CORRELACIÓN ENTRE ÍNDICES Q Y RMR PARA EL TÚNEL DEL CADÍ. ................................................................................. 57  FIGURA 43. VARIACIÓN DE K CON LA PROFUNDIDAD (HOEK & BROWN) ........................................................................................... 59  FIGURA 44. TENSIÓN VERTICAL FRENTE A PROFUNDIDAD (HOEK & BROWN) ..................................................................................... 60  FIGURA 45. SOLUCIÓN PARA AL PROBLEMA DESCRITO (HOEK & BROWN) ......................................................................................... 62  FIGURA 46. ESTADO DE TENSIONES PRINCIPALES Y LÍNEAS DE CORRIENTE ENTORNO A UNA CAVIDAD CIRCULAR EXCAVADA EN MEDIO ELÁSTICO  PARA K = 0.5. LAS LÍNEAS DE TRAZO CONTINUO REPRESENTAN LAS TENSIONES PRINCIPALES MAYORES Y LAS DE TRAZO DISCONTINUO LAS  MENORES (HOEK & BROWN) .......................................................................................................................................... 63  FIGURA 47.  INFLUENCIA DE LA GEOMETRÍA SOBRE EL ESTADO DE TENSIONES. COMPARACIÓN ENTRE EL CIRCULAR Y LOS RESTANTES PARA K = 0  (HOEK & BROWN) ........................................................................................................................................................ 64  FIGURA 48. GEOMETRÍA TÍPICA PARA TÚNELES DE ALCANTARILLADO Y TÚNELES DE CARRETERA O FERROCARRIL RESPECTIVAMENTE (HOEK &  BROWN) ..................................................................................................................................................................... 66  FIGURA 49. GEOMETRÍA “IDEAL” EN FUNCIÓN DE LOS ESTADOS DE TENSIONES EN CLAVE Y HASTIALES RESPECTIVAMENTE. .......................... 67  FIGURA 50. PROBLEMA PROPUESTO .......................................................................................................................................... 68  FIGURA 51. REPRESENTACIÓN DEL ESTADO DE TENSIONES EN CLAVE Y HASTIAL DERECHO PARA EL TÚNEL DESCRITO  UTILIZANDO LA SOLUCIÓN DE  LA FIG. 3 Y SIENDO K = 0. ............................................................................................................................................... 69  FIGURA 52. A LA IZQUIERDA EJEMPLO DE UN TÚNEL SOMERO Y A LA DERECHA DE UN TÚNEL PROFUNDO ................................................. 71  FIGURA 53. . CRITERIOS DE ROTURA DE HOEK & BROWN Y MOHR‐COULOMB RESPECTIVAMENTE (ALONSO, 2002) ................................. 72  FIGURA 54. . CRITERIO DE ROTURA DE HOEK & BROWN Y ESTE MISMO, ADAPTADO AL PLANO DE MOHR, RESPECTIVAMENTE (ALONSO, 2002)  ................................................................................................................................................................................. 74  FIGURA 55. VALORES DE M OBTENIDOS A PARTIR DE REGRESIÓN PARA GRANITO Y ARENISCA. ......................................................... 75  FIGURA 56. . REPRESENTACIÓN GRÁFICA TEÓRICA DE LA ECUACIÓN (1) PARA DISTINTOS VALORES DE 3Σ. FUNCIONA BIEN SI EL PLANO DE  ROTURA ESTÁ BIEN DEFINIDO ........................................................................................................................................... 78  FIGURA 57. REPRESENTACIÓN GRÁFICA TEÓRICA PARA VARIAS JUNTAS, CADA UNA REPRESENTADA CON UN COLOR. LA LÍNEA HORIZONTAL  REPRESENTA LA ROCA MATRIZ. TODO PARA UN 3ΣDETERMINADO............................................................................................ 79  FIGURA 58. ENSAYOS TRIAXIALES SOBRE PIZARRA Y SOBRE ARENISCA FRACTURADA (HOEK & BROWN). .................................................. 80  FIGURA 59. ANDESITA DE NUEVA GUINEA (HOEK & BRAY) ........................................................................................................... 81  FIGURA 60. TABLA QUE RELACIONA EL ÍNDICE DE CALIDAD DE LA ROCA CON LA LITOLOGÍA. PARA CADA CASO SE SEÑALAN LOS VALORES DE M Y S  RESPECTIVAMENTE (BIENIAWSKI, 1974) ........................................................................................................................... 82  FIGURA 61. CRITERIOS DE ROTURA EN FUNCIÓN DE LA LITOLOGÍA Y EL RMR O Q (BIENIAWSKI, 1974) .................................................. 83  FIGURA 62. ESQUEMA DE UNA SECCIÓN LONGITUDINAL DEL AVANCE DEL TÚNEL ................................................................................ 84  FIGURA 63. REPRESENTACIÓN DE LAS DISTINTAS CURVAS EN UN GRÁFICO PI VS UI ............................................................................... 85  FIGURA 64. DISTINTAS OPCIONES A LA HORA DE ELEGIR EL SOSTENIMIENTO....................................................................................... 86  FIGURA 65. TÚNEL CIRCULAR EN DEFORMACIÓN PLANA ................................................................................................................ 88  FIGURA 66. RELACIÓN DE TENSIONES EN FUNCIÓN DEL RADIO ........................................................................................................ 89  FIGURA 67. CURVA CARACTERÍSTICA DEL TÚNEL EN RÉGIMEN ELÁSTICO ............................................................................................ 90  FIGURA 68. ESQUEMA PARA EL PROBLEMA ELÁSTICO CON CAVIDAD ESFÉRICA .................................................................................... 90  FIGURA 69. ESQUEMA PARA EL PROBLEMA ELASTOPLÁSTICO .......................................................................................................... 92  FIGURA 70. TRAYECTORIA DE TENSIONES .................................................................................................................................... 94  FIGURA 71. RELACIONES TENSIÓN‐DEFORMACIÓN NORMALIZADAS.................................................................................................. 97  FIGURA 72. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE MOHR‐COULOMB ......................................................................................................... 99  FIGURA 73. FORMA DE HALLAR EL CU ....................................................................................................................................... 100  FIGURA 74. DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN FUNCIÓN DEL RADIO ................................................................................................. 103 
  • 9. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  6 FIGURA 75. COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTRIBUCIONES DE TENSIONES EN LOS CASOS ESFÉRICO Y CILÍNDRICO EN DEFORMACIÓN PLANA, EN  AUSENCIA DE SOSTENIMIENTO. ...................................................................................................................................... 104  FIGURA 76. EXTENSIÓN APROXIMADA DE LA CORONA DE PLASTIFICACIÓN EN UNA SECCIÓN LONGITUDINAL DE UN TÚNEL PARA LOS CASOS  INDICADOS ................................................................................................................................................................. 104  FIGURA 77. LEY DE PLASTICIDAD ............................................................................................................................................. 106  FIGURA 78. REPRESENTACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS EN BÓVEDA, CONTRABÓVEDA Y HASTIALES .......................................... 108  FIGURA 79. CARGA T QUE SOPORTA EL REVESTIMIENTO .............................................................................................................. 110  FIGURA 80. RIGIDEZ DEL REVESTIMIENTO ................................................................................................................................. 110  FIGURA 81. ACTUACIÓN CONJUNTA DE DISTINTOS TIPOS DE SOSTENIMIENTO ................................................................................... 110  FIGURA 82. DOVELAS Y JUNTAS .............................................................................................................................................. 112  FIGURA 83. CERCHAS ........................................................................................................................................................... 113  FIGURA 84. BULONES ........................................................................................................................................................... 113  FIGURA 85. REPRESENTACIÓN DE A(X) ..................................................................................................................................... 115  FIGURA 86. OBTENCIÓN DEL UD A PARTIR DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL TÚNEL .......................................................................... 116  FIGURA 87.  RELACIÓN DE INFORMES DEDICADOS A DISTINTOS ÁMBITOS (MUIR WOOD & KIRKLAND, 1985) ........................................ 118  FIGURA 88. VARIABILIDAD DE TERRENOS ALUVIALES (JUVANN ET AL, 1985) .................................................................................... 120  FIGURA 89. DISPOSICIÓN DE SONDEOS (DODDS, 1982) .............................................................................................................. 121  FIGURA 90 A Y B. FILTRACIÓN RECOGIDA POR LOS TÚNELES DE LA RED DE FF.CC. DE JAPÓN (ISHIZAKI,1979) ........................................ 122  FIGURA 91. CÁLCULO DE CAUDALES FILTRADOS HACIA TÚNELES .................................................................................................... 123  FIGURA 92. CÁLCULO DE CAUDALES FILTRADOS HACIA TÚNELES .................................................................................................... 124  FIGURA 93. FILTRACIONES HACIA TÚNELES EN EL METRO DE ESTOCOLMO (BRUNE ET AL, 1980) ......................................................... 125  FIGURA 94. PREDICCIÓN DE CAUDALES INFILTRADOS A TRAVÉS ..................................................................................................... 126  FIGURA 95. RED DE CORRIENTE CON PROXIMIDAD DE UN TÚNEL DE DRENAJE (OTEO, 1982) .............................................................. 127  FIGURA 96. EMPUJES DEL AGUA EN EL REVESTIMIENTO DE UN TÚNEL CON TÚNEL DE DRENAJE (OTEO, 1982) ........................................ 128  FIGURA 97. CARGAS SOBRE EL REVESTIMIENTO ORIGINADAS POR EL AGUA (ATKINSON & MAIR,1983) ................................................ 129  FIGURA 98. CARGAS SOBRE EL REVESTIMIENTO ORIGINADAS POR EL AGUA (ATKINSON & MAIR,1983) ................................................ 130  FIGURA 99. INFLUENCIA DE LA FILTRACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL TÚNEL ......................................................................... 130  FIGURA 100. ANÁLISIS ELÁSTICO CON FLUJO ............................................................................................................................. 131  FIGURA 101 A. ANÁLISIS ELASTOPLÁSTICO CON FLUJO ................................................................................................................. 132  FIGURA 102 A. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) .................................................................................................................. 133  FIGURA 103 B Y C. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) ............................................................................................................. 133  FIGURA 104 D Y E. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) ............................................................................................................. 133  FIGURA 105 A Y B. (JIMÉNEZ SALAS Y SERRANO, 1984) .............................................................................................................. 134  FIGURA 106. CONCLUSIONES. ................................................................................................................................................ 134  FIGURA 107. ALTERNATIVAS DE DRENAJE E INYECCIÓN DE UN TÚNEL ............................................................................................. 135  FIGURA 108. ALTERNATIVAS DE DRENAJE E INYECCIÓN DE UN TÚNEL (CONTINUACIÓN) ..................................................................... 137  FIGURA 109. ASIENTO NO DRENADO Y POR CONSOLIDACIÓN (ARCILLA ALUVIAL). (GLASSOP + FERMER, 1975) ...................................... 138  FIGURA 110. CAM‐CLAY MOD + CONSOLIDACIÓN (SENEVIRATNE + GUNN, 1985) ........................................................................... 139  FIGURA 111. SEKIGUCHI‐OHITA + CONSOLIDACIÓN (OHTA ET AL, 1985; ICONMIG. NAGOYA) ........................................................ 140  FIGURA 112. CONSOLIDACIÓN DE SEMIESPACIO ELÁSTICO INDUCIDA POR UN SUMIDERO PUNTUAL. PERMEABILIDAD ANISOTRÓPICA (BOOKER +  CARTER, 1987) .......................................................................................................................................................... 141  FIGURA 113. ASIENTOS EN SUPERFICIE ORIGINADOS POR UN SUMIDERO PUNTUAL ............................................................................ 142  FIGURA 114. ASIENTOS EN SUPERFICIE ORIGINADOS POR UN SUMIDERO PUNTUAL (CONT.) ................................................................ 142  FIGURA 115. TRATAMIENTO DE TÚNELES EN HONG‐KONG (MC FEATH SMITH + HASWELL, 1985) ..................................................... 143  FIGURA 116. METRO DE MILÁN. ESQUEMA DE TRATAMIENTO (TORNAGHI + CIPPO, 1985) .............................................................. 143  FIGURA 117. TÚNEL LONG, CONGO‐OCÉANO, A = 40 M 2  Y L = 4.6 KM (LEPETIT + CHAPEAU, 1985) ................................................. 144  FIGURA 118. DRENAJE EN EL TÚNEL DE DU TOITSKLOO, SUDÁFRICA (BÜTTER, 1987) ....................................................................... 145  FIGURA 119. TÚNEL DE KOKUBU (TOKYO). ESQUEMA DE DRENAJE (FUJIMORI ET AL, 1985) .............................................................. 146 
  • 10. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  7 FIGURA 120. TÚNEL DE SEIKAN (MEGAW + BARLETT, 1981) ...................................................................................................... 147  FIGURA 121. ESQUEMA DE SISTEMA DE DRENAJE UTILIZADO EN TÚNELES DE LA AUTOPISTA CAMPOMANES‐LEÓN ................................... 148  FIGURA 122. DRENAJE (MALLA TRIDIMENSIONAL) E IMPERMEABILIZACIÓN (MEMBRANA IMPERMEABLE PVC); BERKHOUT ET AL, 1987 .... 149  FIGURA 123. METRO DE WASHINGTON. IMPERMEABILIZACIÓN (MARTIN, 1987) PREMIO ASCE PARA EL MEJOR PROYECTO EN INGENIERÍA  CIVIL, 1987 ............................................................................................................................................................... 150  FIGURA 124. REVESTIMIENTO SECUNDARIO DE PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA EN NORUEGA (KROKEBORG + PEDERSEN, 80’S) ................. 151  FIGURA 125. IMPERMEABILIZACIÓN EN TÚNELES CONSTRUIDOS MEDIANTE DOVELAS (MEGAW + BARTLETT, 1981) ............................... 151  FIGURA 126. IMPERMEABILIZACIÓN EN TÚNELES CONSTRUIDOS MEDIANTE DOVELAS (LYONS, 1979) ................................................... 152  FIGURA 127. ESQUEMA DE DRENAJE EN UN TÚNEL SUBACUÁTICO (BENDELIUS, 1982) ..................................................................... 152  FIGURA 128. MÉTODOS DE EXCAVACIÓN EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LA ROCA. ................................................ 153  FIGURA 129. ESQUEMA DE TIRO ............................................................................................................................................. 154  FIGURA 130. SECCIÓN TEÓRICA DE UN TÚNEL PARA PERFORACIÓN Y VOLADURA ............................................................................... 155  FIGURA 131. TIPOS DE CUELE ................................................................................................................................................ 156  FIGURA 132. JUMBO ........................................................................................................................................................... 158  FIGURA 133. VISTA DE LAS CABEZAS DE CORTE DE DOS TBM’S Y DOS ESCUDOS RESPECTIVAMENTE (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY  OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY)........................................................................................................................ 160  FIGURA 134. VISTA GENERAL DE UN TOPO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ................................................................................... 161  FIGURA 135. ESQUEMA DE UN TOPO (FERNÁNDEZ, 1997) .......................................................................................................... 161  FIGURA 136. VISTA FRONTAL DE LA RUEDA DE CORTE QUE INCORPORA LA CABEZA DE UN TOPO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) .............. 162  FIGURA 137. CÍRCULOS CONCÉNTRICOS DEJADOS POR LOS CORTADORES EN EL FRENTE DEL TÚNEL ....................................................... 163  FIGURA 138. FASES EN LA ROTURA FRONTAL (FERNÁNDEZ, 1997) ................................................................................................ 163  FIGURA 139. ESQUEMA DE ROTURA POR IDENTACIÓN (ALONSO, 2002) ........................................................................................ 164  FIGURA 140. VISTA DE DETALLE Y EN PERSPECTIVA DE UN CORTADOR (ROBBINS COMPANY)............................................................... 164  FIGURA 141. DISPOSICIÓN FAVORABLE Y DESFAVORABLE, RESPECTIVAMENTE, DE LOS CORTADORES VS ESTRATIFICACIÓN ......................... 165  FIGURA 142. VISTA GENERAL DE UN TOPO A PUNTO DE INICIAR EL ATAQUE DE LA EXCAVACIÓN (TRENCHLESS TECHNOLOGY) .................... 166  FIGURA 143. VISTA EN PERSPECTIVA DE LA CABEZA DE UN TOPO. A LA DERECHA, EN COLOR ROJO, SE DESTACAN LOS GRIPPERS (CORTESÍA  HERRENKNECHT AG) ................................................................................................................................................... 167  FIGURA 144. VISTA TRASERA DEL BACK‐UP DE UNA TUNELADORA (TRENCHLESS TECHNOLOGY) ........................................................... 168  FIGURA 145. ENSAYO DE CAÍDA (DROP TEST). ( T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) .................................................................. 171  FIGURA 146. ENSAYO DE PERFORACIÓN (SIEVER TEST). (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ....................................................... 172  FIGURA 147. DETERMINACIÓN DEL DRI. (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) .......................................................................... 172  FIGURA 148. CORRELACIÓN ENTRE EL DRI Y LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) . 173  FIGURA 149. CORRELACIÓN ENTRE EL DRI Y LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) . 173  FIGURA 150. DETERMINACIÓN DE LA PENETRACIÓN NETA (PN). (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ............................................ 174  FIGURA 151. ROCAS PERTENECIENTES A LA CLASE SP Y ST RESPECTIVAMENTE ................................................................................. 174  FIGURA 152. ENSAYO DE ABRASIÓN  (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ................................................................................ 176  FIGURA 153. VALOR DE CLI PARA DISTINTAS LITOLOGÍAS (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ..................................................... 176  FIGURA 154. VIDA DEL CORTADOR Y COSTE EN CORONAS NORUEGAS EN FUNCIÓN DEL CLI  (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986)........ 176  FIGURA 155. VISTA FRONTAL Y LATERAL DE UN ESCUDO (FERNÁNDEZ, 1997) ................................................................................. 177  FIGURA 156. VISTA GENERAL DE UN ESCUDO (TRENCHLESS TECHNOLOGY) ..................................................................................... 177  FIGURA 157. VISTA FRONTAL DE LA CABEZA DE UN ESCUDO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................................. 178  FIGURA 158. VISTA DEL INTERIOR DE UN ESCUDO ABIERTO MECANIZADO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................ 179  FIGURA 159. AVANCE DE UN ESCUDO MEDIANTE LOS CILINDROS DE EMPUJE SITUADOS EN LA COLA DEL ESCUDO (HERRENKNECHT AG ESPAÑA)  ............................................................................................................................................................................... 180  FIGURA 160. VISTA GENERAL DEL BACK‐UP DEL ESCUDO QUE CONSTRUIRÁ EL TÚNEL ESTE DE GUADARRAMA (MADRID) (CORTESÍA  HERRENKNECHT AG) ................................................................................................................................................... 181  FIGURA 161. VISTA DE UN ESCUDO MANUAL DE FRENTE ABIERTO CON SISTEMA PARA CONTENCIÓN DEL FRENTE EN TERRENOS INESTABLES  (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................. 182 
  • 11. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  8 FIGURA 162. IMAGEN DEL FRENTE VISTO DESDE EL INTERIOR DE UN ESCUDO DE FRENTE ABIERTO. LA EXCAVACIÓN SE REALIZA A MANO CON  MARTILLO PICADOR (“PICA PICA”) Y PALA PARA RETIRAR EL ESCOMBRO (IMAGEN DE LA PARTE IZQUIERDA) Y CON PALA MECANIZADA QUE  ACTÚA COMO EXCAVADORA Y COMO PALA DE CARGA  (IMAGEN DERECHA).............................................................................. 183  FIGURA 163. ESCUDOS DE FRENTE ABIERTO CON ROZADORA Y PALA EXCAVADORA MECANIZADA (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF  ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................................................................................ 183  FIGURA 164. ESCUDOS DE FRENTE ABIERTO CON PANEL DE REJILLA PARA AYUDAR A SOSTENER EL FRENTE Y PALA EXCAVADORA MECANIZADA  (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................. 184  FIGURA 165. IMAGEN DE UN ESCUDO DE TIPO ABIERTO CON MÉTODO DE EXCAVACIÓN MECANIZADO (RUEDA) (GEO‐ENVIROMENT  LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ........................................................................................ 184  FIGURA 166. MAQUETA DE UN ESCUDO TIPO EPB DE FRENTE CERRADO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................. 185  FIGURA 167. ESQUEMA DE UN ESCUDO DE RUEDA CON CÁMARA ABIERTA (FERNÁNDEZ, 1997).......................................................... 185  FIGURA 168. ESQUEMA DE UN ESCUDO DE BENTONITA (FRENTE PRESURIZADO) (FERNÁNDEZ, 1997) .................................................. 187  FIGURA 169. ESQUEMA DE UNA PLANTA DE SEPARACIÓN DE BENTONITA ........................................................................................ 188  FIGURA 170. ESQUEMA DE UN ESCUDO TIPO E.P.B. (FERNÁNDEZ, 1997) ...................................................................................... 189  FIGURA 171. ESQUEMA DE PRESIONES EJERCIDAS POR EL ESCUDO SOBRE EL FRENTE (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................. 189  FIGURA 172. VISTA GENERAL DE UN ESCUDO TIPO E.P.B. (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................................... 190  FIGURA 173. VISTA GENERAL DE UNA ROZADORA CON CABEZA DE CORTE TIPO RIPPING (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES)  ............................................................................................................................................................................... 193  FIGURA 174. VISTA DE UNA ROZADORA ACTUANDO SOBRE EL FRENTE (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) ..................... 194  FIGURA 175. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UNA MÁQUINA ROZADORA (GARCÍA, 1997) ................................................................ 195  FIGURA 176. DISEÑO DE UN BRAZO CORTADOR DE ROCA DURA (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) .............................. 196  FIGURA 177. CABEZA DE CORTE AXIAL TIPO MILLING (GARCÍA, 1997) ........................................................................................... 197  FIGURA 178. CABEZA DE CORTE TRANSVERSAL TIPO RIPPING (GARCÍA, 1997) ................................................................................. 198  FIGURA 179. PERFILES DE EXCAVACIÓN DE AMBOS TIPOS DE CABEZAS DE CORTE .............................................................................. 198  FIGURA 180. SISTEMAS DE TRABAJO CON CABEZA AXIAL Y TRANSVERSAL......................................................................................... 199  FIGURA 181. DISTINTOS DISPOSITIVOS DE CARGA DEL MATERIAL ROZADO ....................................................................................... 200  FIGURA 182. ÁNGULOS DE ATAQUE, OBLICUIDAD Y BASCULAMIENTO ............................................................................................. 202  FIGURA 183. RELACIÓN ENTRE EL CONSUMO DE PICAS Y RENDIMIENTO DE CORTE CON  LA RESISTENCIA DE LA ROCA (GARCÍA, 1997) ......... 203  FIGURA 184. SISTEMA DE CHORRO DE AGUA ............................................................................................................................. 204  FIGURA 185. MINADOR DE BRAZO (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) ................................................................... 205  FIGURA 186. ROZADORA DE CADENAS ..................................................................................................................................... 206  FIGURA 187. MINIMINADOR (MILIARIUM.COM) ....................................................................................................................... 206  FIGURA 188. EXCAVADORA CON BRAZO CORTADOR (MINING TECHNOLOGY) .................................................................................. 207  FIGURA 189. SISTEMA DE CARGA CON EQUIPO DE DESESCOMBRO (GARCÍA, 1997) .......................................................................... 207  FIGURA 190. ROZADORA SOBRE RUEDAS .................................................................................................................................. 208  FIGURA 191. RELACIÓN ENTRE POTENCIA Y PESO DE LA MAQUINA ................................................................................................. 209  FIGURA 192. MODOS DE CORTE CON CABEZAS AXIALES Y TRANSVERSALES (MILIARIUM.COM) ............................................................ 211  FIGURA 193. MÉTODOS DE CORTE EN MACIZOS ROCOSOS ESTRATIFICADOS (MILIARIUM.COM) ........................................................... 213           
  • 12. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  9 1.‐ HISTORIA DE LOS TÚNELES Y SU EVOLUCIÓN HISTÓRICA  1.1.‐ Introducción  El túnel arranca de la necesidad de superar un obstáculo natural, generalmente un macizo montañoso.  Pero además de la montaña existen otras barreras que se pueden salvar mediante túneles como los cursos  de agua, fluviales o marinos, y las zonas urbanas densamente edificadas en las que a menudo se incorporan  túneles.  Entre  los  usos  más  frecuentes  pueden  enumerarse  los  túneles  para  vehículos,  para  redes  de  ferrocarril  urbano  o  Metros,  para  uso  peatonal,  para  abastecimiento  de  agua,  saneamiento,  galerías  de  servicio y para almacenamiento de residuos (A.G.P.).    Si bien el túnel en sentido estricto se caracteriza por su marcado carácter lineal, aquí se considerará,  por  extensión,  el  termino  túnel  en  un  sentido  amplio,  no  sólo  como  obra  lineal  sino  como  espacio  subterráneo que incluye desde la caverna, la cueva natural hasta amplios recintos subterráneos transitables  dentro de lo que podría englobarse como urbanismo y espacio subterráneo; en suma, el túnel como obra  de tránsito y también como hábitat.    Figura 1. Imagen ficticia del túnel ideado por Thomé de Garamond bajo las aguas del Canal de la Mancha  (proyecto  presentado en 1867 en la Exposición Universal).    1.2.‐ El túnel en la historia de los pueblos  El arte de los túneles se funde en sus orígenes con el arte de la minería. La mina más antigua que se  conoce en el mundo se localiza en el cerro de Bomvu, en Swazilandia, y data del año 40.000 a.C.; en ella el  hombre  de  Neandertal  minaba  hematites,  piedra  de  sangre,  muy  apreciada  para  ritos  mortuorios;  las  herramientas no eran otras que piedras afiladas y sus manos desnudas.   
  • 13. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  10 El primer método de perforación de galerías mineras y, con posterioridad, de túneles es la técnica del  fuego, consistente en provocar un incendio en el frente de ataque para luego sofocarlo bruscamente con  agua fría produciendo un brusco gradiente térmico que da lugar al resquebrajamiento de la roca; pero esta  técnica también provoca, como no es difícil imaginar, una atmósfera viciada, irrespirable, generando gases  a menudo venenosos, convirtiendo el trabajo del minero en una trampa mortal a la que sólo unos pocos  afortunados sobreviven.    El  primer  túnel  de  la  historia,  allá  donde  ésta  se  difumina  con  el  territorio  del  mito,  fue  el  que  la  leyenda dice mandara construir Semiramis bajo el Eúfrates para comunicar el Palacio y el Templo de Belos  en la Babilonia del 2200 a.C.. A este formidable trabajo se refieren entre otros los historiadores Diodoro de  Sicilia, Herodoto y Estrabon. En realidad, se trataba de un falso túnel, por cuanto no se perforó en galería  sino mediante zanja a cielo abierto y posteriormente recubierta, para lo cual se desviaron las aguas del  Eúfrates aprovechando el período de estiaje.    El siguiente túnel construido bajo el cauce de un río se perforó cuatro mil años después de aquel de  Babilonia, obra de los Brunel padre e hijo quienes tras veinte años de lucha denodada y arrojo lograron  dominar las furiosas aguas del río Támesis que se resistía a ver perforado su lecho.    A lo largo de la historia y en el seno de distintas culturas se han proyectado y construido túneles con  distintos motivos. Así, tanto en el antiguo Egipto, como en las culturas orientales, el túnel ha tenido un  marcado carácter religioso. Mientras que en zonas como las Tierras de Canaan (siglo X a.C.) el propósito no  es  místico  o  religioso  sino  ingenieril,  hidráulico.  Tenían  como  fin  el  abastecimiento  a  las  ciudades  y  la  captación de aguas. ¿Por qué bajo tierra? Por varios motivos. El más poderoso de ellos, sin duda, evitar que  un bien tan preciado como el agua (muy escaso por aquellas regiones) se evaporara como consecuencia de  las altas temperaturas que se alcanzaban.    Pero siguiendo con los principales hitos de la historia de los túneles merece especial referencia el de la  Isla  de  Samos,  de  un  kilómetro  de  longitud  y  primero  del  que  se  tiene  noticia  del  ingeniero  que  lo  construyó, Eupalinos de Megara, hijo de Naustrofo. Esta obra construida hacia el 530 a.C., servía para el  abastecimiento  de  agua  a  la  capital  de  la  isla.  Estuvo  en  funcionamiento  durante  un  milenio  y  fue  considerada y fue considerada como una de las tres maravillas del Mundo Heleno.  También merece especial atención la época del Imperio Romano. Los romanos construyeron túneles  con muy diversos propósitos: galerías mineras, túneles para abastecimiento de agua, para alcantarillado,  para el drenaje de lagos volcánicos (emisario de Fucino con 5500 m de longitud), en las calzadas romanas  (como el túnel de Pausilippo, cerca de Nápoles, con sus 1500 m de longitud), sin olvidar los túneles de  propósito militar y las catacumbas.    En la Edad Media, los túneles pierden esa potencia como obras vigorosas de ingeniería civil y derivan en  galerías y pasadizos en castillos y fortalezas, obras menores. Durante este período, la minería se robustece  y consolida, fundamentalmente en Centroeuropa, surgiendo al filo del Renacimiento la obra maestra de la  minería, De Re Metallica de Georgius Agrícola publicada en el S. XVI. Dicha obra recoge con minuciosidad  en su texto y en sus grabados las prácticas y técnicas mineras, siendo un libro básico de consulta durante  los dos siglos siguientes a su publicación. 
  • 14. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  11   Figura 2. Grabado extraído de la obra de De Re Metallica del autor alemán Georgius Agricola  Ésta, sirvió de referencia como manual de consulta durante los S. XVI‐XVII    El Renacimiento marca el resurgir del hombre así como el de los túneles tras el letargo de la época  medieval.  Leonardo  da  Vinci  concibe  niveles  subterráneos  en  sus  proyectos  de  ciudades  y  piensa  en  la  posibilidad de perforar túneles allá donde los canales se encuentran con barreras montañosas.    El primer túnel del Renacimiento es la Mina de Daroca en la provincia de Teruel. Cuenta con 600 m de  longitud, 6 m de anchura y una altura variable entre los 7 y 8 m. Fue construido entre 1555 y 1570 por  Pierres Bedel para reconducir y desviar las aguas torrenciales que venían castigando la villa aragonesa. 
  • 15. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  12   Figura 3. Imágenes de la antigua Mina de Daroca    Pero es en el siglo XVIII cuando surge la Era de los Canales y dentro de ella los túneles comienzan a  adquirir peso propio: el túnel de Malpas, cerca de Beziers en el Canal de Midi para la unión de los dos  mares (Atlántico y Mediterráneo), obra portentosa que impulsa Colbert bajo el reinado del Rey Sol (Luis  XIV) es el primer túnel para canal. Este túnel, de 155 m de longitud, 6,5 m de altura y 8 de anchura, fue  perforado por Pierre‐Paul Riquet, empleando la pólvora por primera vez. Así comienza la Era de los túneles  para  canales:  tras  él  muchos  túneles  se  construirán  en  las  siguientes  décadas  destacando  los  túneles  ingleses para canal, muchos de ellos obra de ese prodigioso ingeniero que se llamó James Brindley.    La experiencia adquirida con la construcción de túneles para canal resultaría valiosísima en el período  siguiente,  ya  superado  en  el  corazón  de  Europa  el  umbral  de  la  Revolución  Industrial,  la  Era  de  los  Ferrocarriles.    En la historia de los Ferrocarriles, que se desarrolla a partir del siglo XIX, los túneles tuvieron gran auge;  en la historia de los túneles de ferrocarril se agolpan grandes hazañas en una denonada lucha del hombre  por  dominar  el  arte  de  perforar  la  tierra;  incorporando  progresivamente  maquinaria  y  procedimientos  constructivos a partir de los cuales el esfuerzo manual va cediendo en pro de una incipiente mecanización.    En el siglo XVI existía ya el transporte por carriles cuya infraestructura estaba construida de madera y se  utilizaba para mover por ella vagones en las minas. Los avances técnicos del siglo XIX, que surgen gracias a  la Revolución Industrial hacen que aparezcan los ferrocarriles. En 1803 se abrió el primer ferrocarril tirado  por  caballos  del  mundo  en  Surrey,  Inglaterra.  Así,  los  raíles  de  hierro  se  extendieron  al  transporte  de  mercancías y viajeros. Con las primeras locomotoras de vapor el desarrollo del tren estaba decidido. En  1825 se inauguró el primer tren traccionado por una locomotora de vapor creada por Stephenson.    El primer túnel de ferrocarril fue el de Terre‐Noir en Francia, de la línea Roanne‐Andrezieux, camino de  carriles traccionado por caballos, construido por caballos, construido en 1826, con 1476 m de longitud, 5 m  de altura y cerca de 3m de anchura.   
  • 16. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  13   Figura 4. Imagen correspondiente a la bendición de los raíles de la vía del túnel de Perruca en León (1884)  Los ferrocarriles de vapor, que  comenzaron en Gran Bretaña, se multiplicaron de forma importante  entre los años 1830 y 1845. El ferrocarril de Liverpool a Manchester, obra de Isambard Kingdom Brunel fue  el primero; dicha línea atravesaba la montaña por dos túneles, uno de 4.8 km y otro de 1.6 km.    Durante este período también tiene lugar la gesta de la perforación del primer túnel bajo el Támesis  entre Rotherhithe y Wapping, el primero que se construye en terreno blando y con enorme presencia de  agua y en el que por primera vez se aplica la técnica del escudo que pantentase Marc Brunel. Cuando la  Reina Victoria inaugura el túnel en marzo de 1843 han transcurrido casi veinte años de brutal lucha contra  las inundaciones del Támesis (en cinco ocasiones), contra la quiebra financiera, contra ese gran agujero del  que casi todos recelaban pero que los Brunel superaron enfrentándose a todas las dificultades con arrojo y  valentía sin límites.    Figura 5. A la izquierda una imagen de época del túnel construido bajo las aguas del río Támesis y a la derecha otra del  escudo utilizado y patentado por Brunel para este mismo proyecto (1843)   
  • 17. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  14 En  un  principio,  la  construcción  de  un  ferrocarril  era  considerada  como  empresa  de  colosos,  pero  conforme  los  progresos  se  iban  consolidando,  los  ferrocarriles  se  construían  con  relativa  facilidad  y  economía, desarrollándose en todo el mundo como un gran modo de transporte terrestre. Ello llevó a una  revolución en el transporte en todo el mundo y a un cambio trascendental en el estilo de vida.    Ya en la segunda mitad del siglo XIX se produce un avance impresionante con la construcción de los  grandes túneles alpinos de ferrocarril. Los nombres de Mont Cenis, San Gotardo y Simplón constituyen la  triada en la titánica lucha por perforar los Alpes y que marca el punto de mayor tensión en la historia de los  túneles: baste recordar que la longitud respectiva de estas galerías es de 12.6 km, 15.2 km y 19.7 km. Los  medios disponibles eran todavía modestos, si bien la incorporación de máquinas taladradoras accionadas  por aire comprimido, obra de Sommeiller, marca un salto cualitativo en los rendimientos alcanzados.    En aquellas décadas la temeridad y audacia de los ingenieros no tenía limites y tal vez por ello ninguno  de los que emprendieron los tres grandes túneles alpinos de ferrocarril pudieron ver su obra terminada.  Probablemente,  en  ocasiones,  también  a  causa  de  una  ambición  desmedida,  las  condiciones  de  trabajo  resultaban  inhumanas,  destacando  la  negra  historia  de  Louis  Favre  y  el  túnel  de  San  Gotardo.  El  compromiso  de  un  plazo  de  ejecución  imposible  de  cumplir  con  duras  penalizaciones  por  cada  día  de  retraso  condujo  a  Favre  primero  a  la  ruina,  luego  a  la  muerte  y  a  sus  trabajadores  a  unas  condiciones  laborales y sanitarias infernales, estimándose en cerca de doscientos el número de muertos durante las  obras; un precio muy elevado.    También  en  Estados  Unidos  se  van  imponiendo  los  túneles  en  la  segunda  parte  del  siglo  XIX.  Cabe  recordar dos túneles bajo el río de Chicago abiertos en 1869 y 1871, que sirvieron como la única vía de  escape para los habitantes de la ciudad durante el feroz incendio que redujo la ciudad a cenizas en octubre  de 1871, sólo cuatro meses después de inaugurarse el túnel de la calle La Salle.    El  túnel  Hoosac  marca  también  sin  duda  un  hito  a  nivel  de  avances  tecnológicos,  como  el  de  la  utilización por primera vez de la nitroglicerina en este tipo de obras, y el túnel de Saint Clair construido a  finales  del  XIX  bajo  el  río  que  le  da  nombre  entre  EE.UU  y  Canadá  mediante  un  escudo  de  6.45  m  de  diámetro.    Como hemos visto el resurgimiento de los túneles como consecuencia de la Revolución Industrial, la  máquina de vapor y los ferrocarriles marcó un hito importante en el diseño y construcción de los mismos.  Los siguientes avances fueron debidos a diversas causas. Así, la electricidad y la potencia eléctrica propició  la aparición de los ferrocarriles subterráneos, el metro. Por otra parte , las centrales de energía dieron lugar  a los túneles para enfriamiento de agua y para conducción de cables. La máquina de combustión interna,  no sólo extendió la potencia de la ingeniería sino que dio lugar al motor de explosión, lo que condujo al  desarrollo de las carreteras y por tanto a la demanda de un número creciente de túneles para vehículos a  motor, no sólo perforados bajo montañas sino también bajo colinas menores o incluso bajo los cauces de  los ríos.    Son innumerables los túneles construidos desde entonces hasta la actualidad, así como las mejoras en  las técnicas y elementos constructivos que poco a poco han alcanzado un grado de eficacia inimaginable.  Debido  precisamente  a  esta  evolución  vale  la  pena  hacer  un  alto  en  el  camino  y  revisar  los  distintos 
  • 18. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  15 métodos nacionales de  construcción  de túneles que fueron surgiendo desde la Era  de los Canales y los  Ferrocarriles hasta la actualidad y que, aún, hoy día se utilizan en algunos casos concretos en los que el  terreno no da otra opción.    Fundamentalmente  han  de  considerarse  los  sistemas  inglés,  belga,  alemán  y  austriaco.  Con  posterioridad  se  introduciría  el  Nuevo  Método  Austriaco,  con  una  inmensa  proyección  y  aplicación  de  forma diversificada.    1.3.‐ Métodos de excavación  A  continuación  revisaremos  de  forma  esquemática  los  diversos  métodos  de  excavación  cronológicamente y que se centran principalmente en las diferentes secuencias de excavación.    El  Método Inglés: recibe su nombre por haber sido aplicado en túneles a través del tipo de terreno que  usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arcillas y areniscas. Siguiendo el ejemplo establecido en  la  construcción  del  primer  túnel  bajo  el  Támesis,  su  principal  característica  es  proceder  el  avance  de  la  perforación a sección completa del túnel, en una sola operación.    El Método Alemán: este sistema fue utilizado por primera vez en 1803 para construir el túnel en el  Canal  de  San  Quintín,  y  desarrollado  por  Wiebeking  en  1814,  siguiendo  el  sistema  de  núcleo  central,  también empleado en la construcción de las amplias bóvedas de cerveza de Baviera.    El Método Alemán Modificado: se aplica en el caso en que durante la operación de perforación del  túnel, a través de un terreno bastante firme, surja la aparición de agua, lo que origina una alteración en el  Método Clásico Alemán en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente.    El  Método  Belga:  se  basa  en  los  principios  que  permitieron  la  construcción,  en  1828  del  túnel  de  Charleroi en el Canal que enlaza Bruselas y Charleroi.    El  Método  Austriaco:  los  austriacos  desarrollaron  un  plan  de  trabajo  basado  en  la  utilización  de  puntales de madera formando un sistema de entibación, procedimiento aplicado en las minas de Friburgo y  que fue aplicado por primera vez por Meisner en la construcción del túnel de Oberau, en el ferrocarril entre  Leipzig y Dresden, en Sajonia en el año 1837. En 1839 Keissler lo empleó en el túnel de Gumpoldskirch,  cerca de Viena‐Neustadt. 
  • 19. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  16   Figura 6. Esquema de los diferentes métodos constructivos nacionales    Llegados  a  este  punto,  consideramos  adecuado  hacer  un  pequeño  resumen  sobre  los  principales  factores que han intervenido en el progreso de la ingeniería de túneles:    La ingeniería de túneles ha progresado de forma muy significativa durante el siglo XX y lo que llevamos  de XXI. Entre los principales factores que han contribuido decisivamente a este avance se encuentran los  siguientes:   En relación con la excavación, las mejoras en las técnicas de voladura, tanto en la fase de barrenado  como en los tipos de explosivos, el uso cada vez más eficiente de la energía, sea eléctrica o por aire  comprimido; así como la introducción de nuevos equipamientos y maquinaria, dependiendo de las  características del terreno (tema del que nos ocuparemos más en profundidad en los siguientes  puntos), como son las máquinas tuneladoras (TBM), las rozadoras o tuneladoras de ataque puntual,  escudos, etc ha sido determinante.   En  relación  con  el  sostenimiento,  los  avances  en  materia  de  revestimientos,  principalmente  en  hormigón y acero moldeado, en mejora del terreno mediante inyecciones a presión así como el  perfeccionamiento de máquinas tuneladoras a sección completa.   En  relación  con  las  características  del  entorno  de  trabajo,  cabe resaltar  las  notables  mejoras  en  sistemas  de  ventilación  e  iluminación,  un  control  más  eficaz  del  agua  subterránea  mediante  equipos de bombeo o a través de sobrepresión ambiental.   En  relación  con  los  métodos  de  diseño  y  construcción  de  entre  los  diversos  métodos  que  anteriormente se apuntaron, cabe destacar el Nuevo Método Austriaco de construcción de Túneles  (NATM). Si bien este método se encuadraría dentro de los sistemas de sostenimiento de túneles, su  alcance,  trascendencia  y  repercusión  a  nivel  mundial  permite  afirmar  que  el  NATM  supone  una  destacada contribución a la ingeniería de túneles. 
  • 20. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  17   Figura 7. Vista en perspectiva de una moderna tuneladora que se utilizará para  la construcción de la futura Línea 9 de Metro en Barcelona  1.4.‐ Reconocimiento del terreno  La selección  del método constructivo de un  túnel  viene regida  por una serie de factores de diversa  índole:  ‐ Unos geotécnicos, en cuanto a las características del terreno, lo que puede condicionar el aplicar un  método u otro.    ‐ Otros económicos, en cuanto a la posibilidad de utilizar métodos en que se necesita una importante  inversión, como en el caso de las tuneladoras.     ‐ Otras sociales y medio‐ambientales, en cuanto a la seguridad del método, la afección al entorno, la  presencia de obstáculos naturales y artificiales (ríos, pozos, cimentaciones existentes, minas, etc).    El reconocimiento del terreno siempre es escaso en un túnel, tanto por las dificultades de llegar a él  (sobre todo en túneles interurbanos profundos), como por el carácter puntual – muchas veces – de las  prospecciones. En el caso de rocas hay tres factores predominantes a la hora de seleccionar el proceso  constructivo y dimensiones del sostenimiento:  ‐ La presencia de fallas y accidentes, así como la posibilidad de su tratamiento previo a la excavación  en  los  mismos.  No  basta  decir  que  se  pedirá  una  tuneladora  que  permitirá  los  tratamientos.  La  disposición radial de los huecos que permitan las perforaciones tiene que ser tal que los taladros no  estén  muy  separados  en  la  zona  de  tratamiento  y  debe  recordarse  la  forma  cónica  de  los  “paraguas” de tratamiento, lo que hacen que la zona tratada puede separarse mucho de la directriz  a excavar.    ‐ La existencia de agua y/o gas a presión. Es necesario estimar esa presión y los caudales previstos y  el  contenido  de  metano  y  exano  de  los  gases  (por  si  pueden  originar  deflagraciones),  ya  que  pueden  hacer  inviables  algunos  sistemas  constructivos  y  obligan  a  tratamientos  especiales  (perforaciones con obturadores diseñados a tal efecto). Sobre la presión del agua se discute mucho  y, en algunos túneles, se le llega a adjudicar alturas de agua muy importantes y presiones elevadas 
  • 21. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  18 que,  después,  son  más  pequeñas.  De  todas  formas,  los  golpes  de  agua  y  arena  (como  las  inestabilidades en el albense en el Trasvase Tajo‐ Segura) pueden enterrar maquinara importante.  En estos casos, la congelación previa del agua del terreno puede dar magníficos resultados.     ‐ La  posibilidad  de  inducir  en  el  terreno  importantes  deformaciones:  a)  Por  fluencia,  debida  a  la  elevada  tensión  natural  inicial  del  terreno,  que  origina  decomprensiones  por  liberación  de  tensiones y deformaciones que dan convergencias importantes en secciones (que no tienen que ser  muy  profundas,  como  en  algunas  pizarras  y  esquistos  tectonizados)  o  que  pueden  originar  el  atrapamiento de máquinas. b) Por hinchamiento a corto y largo plazo, como ha ocurrido en los  túneles de Montblanc en L.A.V. Madrid‐Barcelona; al contener el terreno arcillo‐margoso minerales  expansivos  (esmectitas)  y  anhidrita  (sulfato  cálcico  hemihidratado).  Primero  suele  hinchar,  al  decomprimirse y variar la humedad, la esmectita, con lo que se abre la estructura y puede expandir  la anhidrita, para llegar a yeso dihidratado, más estable. También ha habido experiencias negativas  en los túneles hidráulicos de Trasvasar (Gran Canaria), al existir una capa arcillosa‐esmectítica entre  las fonolitas excavada; las deformaciones se han producido por extrusión de la arcilla (al liberar las  tensiones a 400‐500 m de profundidad) e hinchar la esmectita, produciéndose levantamientos de la  solera (en túneles de Ø 3,50 m) de hasta 2,80 m (con la capa en cuestión en solera) o convergencias  de más de 1 m (cuando estaba en hastiales). En estos casos el método tiene que tener en cuenta la  posibilidad  de  construir  soleras  curvas  y  muy  rápidamente,  para  no  permitir  la  relajación  del  terreno.    A  continuación  se  muestra  una  tabla  que  indica  para  según  qué  fase  del  proyecto  que  método  de  reconocimiento del terreno se usa. 
  • 22. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  19        
  • 23. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  20 2.‐ LA DINÁMICA DE AVANCE DEL TÚNEL  2.1.‐ Los conceptos básicos  Cualquier persona que se propone la construcción de obras subterráneas, encuentra tener que abordar  y  resolver  un  problema  particularmente  complejo,  porque  es  mucho  más  difícil  determinar  las  especificaciones  de  diseño  de  base  para  los  trabajos  subterráneos  de  antemano  de  lo  que  es  para  las  construcciones en la superficie (Fig. 8).    Figura 8. Diferencias entre la construcción subterránea y de superficie.  No  es,  como  en  construcciones  de  superficie,  una  cuestión  de  ajustar  gradualmente  a  medida  los  materiales  (acero,  hormigón  armado,  etc)  con  propiedades  de  resistencia  y  deformación  conocida  para  construir una estructura que, al ser sometida a las cargas previsibles, encuentra su equilibrio en el futuro  con la configuración final deseada. Por el contrario, uno tiene que intervenir en un equilibrio pre‐existente  y proceder de alguna manera a una "perturbación planificada" de la misma en condiciones que sólo se  conocen aproximadamente.    Otra peculiaridad de las obras subterráneas, bien conocida por los ingenieros de diseño y construcción,  pero a la que no siempre se da suficiente importancia, es que muy a menudo, la etapa en que la estructura  está sujeta a más estrés no es la etapa final, cuando el túnel está terminado y sujeta a las cargas externas  previstas en la fase de diseño, si no en la etapa intermedia de la construcción.     Este  es  un  momento  mucho  más  delicado,  porque  los  efectos  de  la  perturbación  causada  por  la  excavación  aún  no  han  sido  completamente  aislada  por  el  revestimiento  final  en  esta  etapa,  cuando  el  estado  de  las  tensiones  preexistente  en  el  macizo  rocoso  se  desvió  por  la  apertura  de  la  cavidad  y  se  canalizó a su alrededor (efecto arco) para crear zonas de mayor estrés en las paredes de la excavación.    De manera similar a las líneas de flujo en la corriente de un río, que son desviados por la pila de un  puente y aumenta su velocidad cuando corren a su alrededor, las líneas de flujo de tensiones en una masa 
  • 24. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  21 de roca son desviados por la apertura de una cavidad y se canalizan a su alrededor para crear una zona de  aumento  de  tensiones  alrededor  de  las  paredes  de  la  excavación  (Fig.  9).  La  canalización  del  flujo  de  tensiones alrededor de la cavidad se denomina un efecto de arco. El efecto arco asegura que la cavidad es  estable y va a perdurar en el tiempo.    Figura 9. Definición grafica del efecto arco.    La delicadeza particular de esta etapa intermedia se hace evidente si se considera que es precisamente  en la distribución correcta de las tensiones alrededor de la cavidad de lo que la integridad y la vida de un  túnel depende. Esta distribución se puede producir, dependiendo del tamaño de las tensiones en juego y  las propiedades de resistencia y deformación de la tierra, de la siguiente manera (Fig. 10):  1. Cerca del perfil de la excavación.  2. Lejos de ser el perfil de la excavación.  3. De ninguna de las dos maneras.   
  • 25. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  22   Figura 10. La formación del efecto arco se hace patente por la respuesta en deformación de la masa rocosa de la excavación.    El primer caso ocurre cuando el suelo alrededor de la cavidad soporta la tensión de flujo desviado de  tensiones alrededor de la cavidad, respondiendo elásticamente en términos de resistencia y deformación.     El segundo caso ocurre cuando el suelo alrededor de la cavidad no puede soportar el estrés y el flujo  desviado  de  tensiones  responde  inelásticamente,  plastificándose  y  deformándose  en  proporción  al  volumen de tierra que participa en el fenómeno de plastificación. Este último, que a menudo provoca un  aumento  en  el  volumen  de  la  tierra  afectada,  se  propaga  radialmente  y  desvía  la  canalización  de  los  esfuerzos hacia el exterior en el macizo rocoso hasta que el estado de tensión triaxial es compatible con las  propiedades de resistencia del suelo. En esta situación, el efecto arco se forma lejos de las paredes de la  excavación y la tierra alrededor de ella, que ha sido perturbada, sólo es capaz de contribuir a la estática  final  con  su  propia  resistencia  residual  y  dará  lugar  a  la  deformación,  que  a  menudo  es  suficiente  para  poner en peligro la seguridad de la excavación.    El  tercer  caso  se  produce  cuando  el  suelo  alrededor  de  la  cavidad  es  completamente  incapaz  de  soportar el flujo desviado de tensiones y responde en el rango de insuficiencia produciendo el colapso de la  cavidad.    Se desprende de este análisis estas tres situaciones:    Un efecto arco sólo se produce de forma natural en el primer caso    Un efecto de arco de medio natural sólo se produce de manera efectiva en el segundo caso, si  el suelo es "ayudado" con la intervención apropiada para estabilizarlo 
  • 26. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  23  En el tercer caso, ya que un efecto de arco no se puede producir de forma natural, debe ser  producido por medios artificiales, mediante una actuación apropiada en el suelo antes de que  se excava.     La tarea primera y más importante de un ingeniero de diseño de túneles es determinar si y cómo un  efecto de arco puede ser activado cuando un túnel se excava y luego asegurarse de que está asegurado su  formación calibrando la excavación y la estabilización de las operaciones de forma adecuada en función de  diferentes condiciones de esfuerzo‐deformación.  Para lograr esto, un ingeniero de diseño debe tener conocimiento de lo siguiente (Fig. 11)   El medio en el que se realizan las operaciones.   Las medidas adoptadas para excavar.   La reacción esperada de la excavación.      Figura 11. Factores de la excavación.  2.2.‐ El medio   El medio (es decir, el terreno) es en la práctica el verdadero "material de construcción" de un túnel, es  extremadamente anómalo en comparación con los materiales tradicionales utilizados en la ingeniería civil:  es  discontinuo,  no  homogéneo  y  anisotrópico.  En  la  superficie,  sus  características  varían,  pero  esto  depende  exclusivamente  de  su  propia  naturaleza  intrínseca  (consistencia  natural),  que  condiciona  la  morfología de la corteza terrestre, mientras que en profundidad sus características también cambian en  función  de  los  estados  de  estrés  a  los  que  está  sujeto  (consistencia  adquirida)  y  esto  condiciona  su  respuesta a la excavación (Fig. 1.4). 
  • 27. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  24   Figura 12. El mismo material puede alcanzar la rotura con diferentes tipos  de comportamiento de acuerdo con el rango de tensiones.    Si simplificamos al máximo, podemos decir que hay tres medios principales en la naturaleza: arena,  arcilla y roca, que tienen tres consistencias físicas diferentes:   La consistencia de la arena, que tiene su efecto sobre todo en términos de fricción, dando lugar a  comportamientos de tipo suelta.   La consistencia de la arcilla, que tiene su efecto sobre todo en términos de cohesión, dando lugar a  comportamientos de tipo coherente.   La consistencia de la roca, que tiene su efecto en términos de cohesión y la fricción, con valores  significativamente más altos que en el caso de la arena y la arcilla que dan lugar a comportamientos  de tipo roca.    En  su  estado  natural,  el  medio  aparece  con  las  características  de  su  propio  tipo  de  coherencia,  sin  embargo,  cuando  se  aborda  la  construcción  subterránea,  en  la  que  se  está  sujeto  a  las  tensiones  que  aumentan con la profundidad, tiene una consistencia que varía en función de la entidad y la anisotropía de  del flujo de tensiones (consistencia adquirida).     La forma en que la consistencia del medio varía en función de su estado tensional es estudiado por  medio de ensayos triaxiales en muestras y es descrita por la curva intrínseca y los diagramas de tensión‐ deformación.    Tres  zonas  características  pueden  ser  identificadas  durante  el  avance  del  túnel  en  un  túnel  sin  revestimiento.  1. Una zona inalterada, donde la masa de roca todavía no está afectada por el paso de la cara.  2. El frente del túnel o zona de transición, lo que corresponde al radio de influencia del frente, en los  que su presencia tiene un efecto considerable.  3. Una zona de estabilización, donde el frente ya no tiene ninguna influencia y la situación tiende a  estabilizarse (si es posible).    Es importante observar que en el paso de la zona inalterada a la zona de estabilización, el medio pasa  de un estado triaxial a un estado de tensión planar y la zona del frente es donde esta transición tiene lugar.  En consecuencia, esta es la zona más importante para el ingeniero de diseño. Es aquí donde la acción de la 
  • 28. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  25 excavación altera el medio y es en esta zona donde toda la atención del ingeniero de diseño debe estar  centrada para el estudio adecuado de un túnel. No es posible lograr esto sin que se empleen tres métodos  de análisis dimensional.                                              2.3.‐ La acción   La acción es todo el conjunto de operaciones realizadas para excavar el suelo. Se ve en el avance de la  cara a través del medio. Por tanto, es un fenómeno claramente dinámico: el avance de un túnel puede ser  imaginado como un disco (la cara) que pasa a través de la masa de roca con una velocidad V, dejando un  espacio vacío detrás de él. Se produce una perturbación en el medio, tanto en sentido longitudinal como  transversal, que altera los estados tensionales originales (Fig. 14).  Figura 13. Zonas características en la excavación de una galería.
  • 29. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  26   Figura 14. Propagación de la zona perturbada durante el avance de la excavación.    Dentro de esta zona perturbada, el campo original de tensiones, que pueden describirse mediante una  red de líneas de flujo, es desviado por la presencia de la excavación y se concentra en las proximidades,  produciendo un aumento de la tensión, o, para ser más preciso, un aumento en el flujo de tensiones. El  tamaño de este aumento determina la amplitud de la zona perturbada para cada medio (en el que el suelo  sufre  una  pérdida  de  las  propiedades  geomecánicas  con  un  posible  incremento  en  el  volumen)  y,  en  consecuencia, el comportamiento de la cavidad en relación con la fuerza de la masa rocosa σgd.    El tamaño de la zona perturbada en las proximidades de la cara se define por el radio de influencia de la  cara Rf, que identifica el área en la que el ingeniero de diseño debe centrar su atención y en la que se  produce el paso de un estado de tensión triaxial a un estado de tensión plana (la zona de la cara o de  transición);  el  estudio  adecuado  de  un  túnel  por  lo  tanto  requiere  de  tres  métodos  de  cálculo  dimensionales y no sólo los métodos de cálculo planares.    2.4.‐ La reacción   La reacción es la respuesta de la deformación del medio a la acción de la excavación. Se genera por  delante de la cara dentro del área que se altera, a raíz de la generación de una mayor tensión en el medio  alrededor de la cavidad. Depende del medio y su estado tensional (coherencia) y en la forma en que se  efectúa adelantado cara (la acción). Se puede determinar la intrusión de material en el túnel a través del  perfil teórico de la excavación. Intrusión es con frecuencia sinónimo de la inestabilidad de las paredes del  túnel.    La  respuesta  a  la  deformación  del  medio  se  manifiesta  en  las  excavaciones  de  diferentes  formas  dependiendo  en  el  rango  en  que  se  produce  y  estos  se  pueden  describir  con  diagramas  sencillos.  Por  ejemplo:    Una respuesta de carga sólida, principalmente cuando el error se produce en un medio generalmente  conforme a la tensión en el rango elástico, que se localiza y produce principalmente como resultado de la  
  • 30. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  27 gravedad, cuando la fuerza del medio es superior a lo largo de superficies preexistentes de discontinuidad  (Fig. 15).    Figura 15. Respuesta de carga solida.    Una respuesta como anillo o banda de plastificación, sobre todo cuando el fallo se genera en el rago  elastoplástico, que se extiende alrededor de la excavación y se produce a lo largo de superficies helicoidales  que se generan dentro del medio después de que haya plastificado (Fig. 16).    Figura 16. Respuesta como banda de plastificación.    Considerando ahora las tres zonas características ilustradas en la Figura 13, se pueden examinar cómo  la situación de las tensiones y la deformación se desarrolla en cada uno de ellos.    1) zona Inalterada caracterizada por:    El campo de esfuerzos naturales   estado de tensión triaxial en todos los puntos   deformación nula.    2) Frente o zona de transición (que corresponde al radio de influencia de la cara Rf), caracterizado por:   campo de esfuerzos perturbado (variación en el estado de tensiones);   el estado de tensiones que pasa de triaxial a biaxial (aumento en el desviador de estrés);   aumento  de  la  deformación,  inmediata  e  insignificante  si  está  el  rango  elástico,  diferida  y  grandes si está en el rango elasto‐plástico.   
  • 31. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  28 3) Zona estabilizada (si las especificaciones de diseño aplicado en la zona del frente eran correctas)  que se caracteriza por:   equilibrio del campo de esfuerzos restaurado;   estado de tensión biaxial;   Estado plano de deformaciones;   fenómenos de deformación en un extremo o final.    Mediciones experimentales indican que no menos del 30% de la deformación de convergencia total se  produce en la sección del túnel que se desarrolla en el frente. De ello se deduce que el suelo por delante  del frente es el primero que se deforma y que sólo se produce la convergencia de la cavidad después de  que se deforme. También se desprende que las medidas de convergencia tomadas en el interior del túnel  sólo representan una parte del fenómeno de la deformación total que afecta al medio.    Tres situaciones básicas pueden surgir (Fig. 17).     Figura 17. Tipos de reacción.    Si al pasar de un estado tensional triaxial a un estado de tensión plana durante el avance del túnel, la  disminución progresiva de la presión de confinamiento en la cara (σ3 = 0) produce el estrés en el rango  elástico por delante de la cara, entonces el muro que se libera por la excavación ( la cara) se mantiene  estable con una deformación limitada y absolutamente insignificante. En este caso, la canalización de las  tensiones alrededor de la cavidad (un "efecto arco") se produce por medios naturales cerca del perfil de la  excavación.     Si, por el contrario, la disminución progresiva de las tensiones en la cara (σ3= 0) produce tensiones en el  rango elasto‐plástico en el suelo delante de la cara, entonces la reacción también es importante y la pared  que se libera por la excavación, la cara, se deforma de manera elasto‐plástico hacia el interior de la cavidad  y da lugar a una condición de estabilidad a corto plazo. Esto significa que, en ausencia de intervención, la  plastificación  se  activa,  mediante  la  propagación  radial  y  longitudinal  de  las  paredes  de  la  excavación,  produciendo un cambio del "efecto arco" de distancia del túnel de más en la masa rocosa. Este movimiento 
  • 32. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  29 que se aleja del perfil teórico del túnel sólo puede ser controlado por la intervención para estabilizar el  suelo.     Si,  finalmente,  la  disminución  progresiva  de  la  presión  de  confinamiento  en  la  cara  (σ3=  0)  produce  tensiones  en  el  rango  de  fallo  en  el  suelo  delante  de  la  cara,  entonces  la  respuesta  de  deformación  es  inaceptable  y  produce  una  condición  de  inestabilidad  en  el  suelo  por  delante  de  la  cara,  lo  que  hace  imposible la formación de un "efecto arco": esto ocurre en el suelo no cohesivo o suelto y el "efecto arco"  debe  ser  producido  artificialmente  en  ella,  ya  que  no  puede  producirse  por  medios  naturales.   De ello se deduce que es importante desde el punto de vista de la estática evitar la sobreexcavación para  mantener  el  perfil  teórico  del  túnel,  sobre  todo  en  las  masas  de  roca  fracturada  y  estratificada.  La  sobreexcavación  accidental,  provocada  principalmente  por  la  estructura  geológica  de  la  tierra,  ayuda  a  cambiar la distancia del efecto de arco de las paredes de la cavidad y esto disminuye la estabilidad de un  túnel (Fig. 18).    Figura 18. Sobreexcavación e infraexcavación.    Sin embargo, la conclusión más importante que puede extraerse es que la formación de un efecto de  arco y su posición con respecto a la cavidad (de la que sabemos que depende la estabilidad a corto y largo  plazo de un túnel) son dados por la calidad y el tamaño de la "respuesta de deformación" del medio a la  acción de la excavación.     El comportamiento del medio en el frente como resultado de ser alterado depende sobre todo de su  consistencia previa.     Si la consistencia es la de roca entonces el comportamiento es del tipo solido y por lo tanto los  resultados presentan una situación estable (Fig. 19). 
  • 33. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  30   Figura 19. Frente estable.   Si la consistencia es la de arcilla (tipo de comportamiento coherente), la cara y el perímetro de  la cavidad se deforman plásticamente deformándose hacia el interior del túnel y da lugar a una  situación de frente  estable a corto plazo (Fig. 20).    Figura 20. Frente no estable.   Si  la  consistencia  es  la  de  arena  (comportamiento  tipo  suelto)  se  produce  una  situación  de  frente inestable (Fig. 21).    Figura 21. Frente inestable.    Como veremos, la estabilidad del frente  juega un papel muy decisivo en la regulación y el control de los  fenómenos de deformación y por lo tanto también para la estabilidad a corto plazo y largo plazo de una  construcción subterránea. Es en el frente cara (o de zona de transición) en la que el ingeniero de diseño  debe intervenir para regular y controlar la respuesta de la deformación. 
  • 34. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  31   El siguiente capítulo muestra la experiencia acumulada en los últimos años sobre la investigación de las  relaciones  entre  los  cambios  en  el  estado  tensional  en  el  medio  inducidos  por  el  avance  del  túnel  y  la  respuesta consiguiente en la deformación del túnel.                                                                       
  • 35. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  32 3.‐ EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS  CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS  3.1.‐ Introducción  Se acepta que fue Terzaghi (1946) quien propuso la primera clasificación del terreno orientada a la  construcción  de  túneles.  Sus  datos  provenían  de  túneles  sostenidos  fundamentalmente  por  cerchas  metálicas. A partir de los años 50 fue generalizándose la utilización del bulonado y el hormigón proyectado  en la construcción de túneles para usos civiles. La clasificación de Lauffer de 1958 refleja perfectamente el  uso combinado de cerchas, bulonado y hormigón proyectado en la construcción de túneles en roca. Esta  clasificación está, por otra parte, muy vinculada al surgimiento del Nuevo Método Austriaco (NATM) en  centroeuropa. Su utilización requiere, sin embargo, la experiencia directa en obra y es poco práctica en las  fases de proyecto y anteproyecto.    Las  que  podemos  denominar  clasificaciones  modernas  (Sistema  RMR  (Bieniawski)  y  Q  (Barton))  intentan un mayor grado de objetividad. Se trata en los dos casos de combinar atributos del macizo rocoso  (de tipo geológico, geométrico y tensional) en un número único relacionado con la calidad global de la roca.  A su vez, este número permite, a través de la experiencia recogida en su utilización en  casos reales, la  definición de un sostenimiento del túnel y la estimación de otros parámetros o datos de interés (resistencia  del macizo rocoso, tiempo de estabilidad de una excavación no sostenida, etc.).    Figura 22. Distintas clasificaciones según autorLas clasificaciones geomecánicas están adaptadas a los macizos rocosos  (como contraposición a los suelos). La transición suelo‐roca es siempre difusa. El término "roca blanda", bastante generalizado,  define esta transición. La resistencia a compresión simple, qu de la roca intacta proporciona un criterio, utilizado por muchos  autores, para clasificar la roca (Fig.22). Los criterios son dispares pero en general se acepta que resistencias inferiores a 1 MPa  son ya típicas de los suelos.   
  • 36. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  33 En este capítulo se describen las clasificaciones "antiguas", las que podemos denominar "modernas", se  exponen las recomendaciones de todas ellas para el sostenimiento de túneles y se mencionan las críticas  que han recibido. A lo largo del tiempo, alguna de estas clasificaciones ha recibido pequeños cambios en  algún  aspecto.  Las  descripciones  y  tablas  que  aquí  se  recogen  corresponden  aproximadamente  a  las  versiones en uso a finales de los 80. Las clasificaciones de Bieniawski (RMR) y Barton (Q) son de los años  1973 y 1974 respectivamente y el resto fueron propuestas en fechas anteriores    3.2.‐ Clasificaciones antiguas   3.2.1.‐ Terzaghi (1946)  Terzaghi clasifica el terreno en diez categorías y proporciona la "carga de roca" o tensión vertical que  soportarían las cerchas de sostenimiento de un túnel construido por procedimientos tradicionales. Refleja  la práctica habitual de los años 1930‐1970 en Norteamérica. Los conceptos de Terzaghi en relación con el  comportamiento del terreno están sintetizados en la Fig. 23. La clasificación original fue modificada por  Deere et al (1970) y se recoge en la Fig. 24.    Crítica: Inadecuada cuando se utilizan las técnicas modernas de construcción de túneles en roca que  hacen uso intensivo de hormigón proyectado y bulonado. La clasificación de la roca es poco objetivable.    Figura 23. Esquema de Terzaghi. 
  • 37. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  34   Figura 24. Clasificación modificada por Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi.   
  • 38. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  35 3.2.2.‐ Lauffer  Basó  su  clasificación  en  los  trabajos  de  la  "Escuela  Austriaca"  que  condujeron  a  la  introducción  del  NATM. Introdujo el concepto de tiempo de estabilidad de la excavación para una luz o dimensión libre sin  sostener. Es la relación entre ambas variables (luz libre y tiempo de estabilidad) la que permite establecer  siete categorías de roca (Fig.25).    Figura 25. Tiempo de estabilidad de la excavación VS longitud libre.    La roca no se clasifica a partir de datos geológicos o geotécnicos sino a partir de su respuesta frente a la  construcción  de  una  excavación  subterránea.  Requiere,  pues,  experiencia  previa  o  datos  de  la  propia  excavación.  A  partir  de  esta  clasificación,  Rabcewicz  y  Müller  sintetizaron  los  métodos  de  excavación  y  sostenimiento de acuerdo con su experiencia en la aplicación del NATM. (Fig. 26).    Crítica: La clasificación no responde a datos objetivos de los macizos rocosos. Difícilmente utilizable en  la fase de proyecto. Parece excesivamente conservadora (Barton, 1988). 
  • 39. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  36   Figura 26. Clasificación Rabcewic, Müller.  3.2.3.‐ Deere et al (1967)  A partir de la definición del índice de calidad de roca RQD propuesto por Deere en 1964, se propone  una simple clasificación de la calidad de la roca en 5 categorías. La definición de RQD, la clasificación de la  roca,  la  relación  entre  el  "Factor  de  Carga"  de  Terzaghi  y  RQD  (propuesta  por  Cording  et  al,  1972)  y  la  propuesta de Merrit (1972) para decidir el tipo de sostenimiento en función del RQD aparecen en la Fig. 27. 
  • 40. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  37   Figura 27. Obtención del RQD. Relación factor de carga de Terzaghi‐RQD.  Relación RQD‐Luz y Túnel‐Tipo de sostenimiento. 
  • 41. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  38 Deere et al (1970) hicieron una serie de recomendaciones para el sostenimiento de túneles en función  del RQD (Fig. 28). La novedad de esta propuesta es que introducen como método alternativo al tradicional  (explosivos) la utilización de máquinas tuneladoras o topos (TBM).    Figura 28. Tabla que relaciona el RQD‐Método de excavación‐Sistemas de soporte alternativos.    Crítica: El índice RQD forma parte de otros sistemas más elaborados de clasificación (RMR, Q) pero en sí  mismo es insuficiente para describir el macizo rocoso. No tiene en cuenta, por ejemplo, la influencia del  relleno de juntas, ni su orientación, ni la presencia de agua o su presión. Por otra parte, en "rocas blandas"  masivas  el  RQD  puede  aproximarse  a  100,  aunque  la  calidad  de  la  roca  sea  mediocre  de  cara  a  la  construcción de túneles.    3.2.4.‐ RSR (Rock Structure Ratio) (Wickham, Tiedemann and Skinner, 1972)  La propuesta del índice RSR en 1972 fue un avance importante en la clasificación de macizos rocosos.  Por  primera  vez  se  construía  un  índice  a  partir  de  datos  cuantitativos  de  la  roca.  Era  pues,  un  sistema  completo con menos influencia de aspectos subjetivos. Se calculaba sumando tres contribuciones (A, B y C)  relacionados con aspectos geológicos generales (A), fracturación y dirección del avance (B) y condiciones de  agua y de las juntas (C). Se resume en las tablas de la Fig. 29. Estas tablas no corresponden a la clasificación  original (1972) sino a la versión actualizada de 1974 tal y como la recoge Bieniawski (1984). 
  • 42. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  39   Este  índice  y  las  recomendaciones  para  el  sostenimiento  se  basaron  fundamentalmente  en  túneles  sostenidos mediante cerchas. Los autores resumieron en gráficos correspondientes a diferentes diámetros  de túnel el sostenimiento necesario para cada valor de RSR (ver Fig. 30 para un túnel de 4.27 m (14') de luz  (Skinner, 1988)).    Figura 29. SQR. 
  • 43. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  40   Figura 30. Sostenimiento necesario para cada valor de RSR    Crítica:  Sesgado  hacia  el  sostenimiento  mediante  cerchas.  Pero  fue  un  trabajo  pionero  similar  al  desarrollo posteriormente en relación con los sistemas RMR y Q.    3.3.‐ Clasificaciones modernas  3.3.1.‐ Sistema RMR (Bieniawski 1973, 1989)  En este sistema el índice RMR se obtiene como suma de cinco números que son a su vez función de:   La resistencia a compresión simple de la roca matriz   RQD   Espaciamiento de las discontinuidades   Condición de las discontinuidades   Condición del agua   Orientación de las discontinuidades    El sistema RMR está sintetizado en la Fig. 31 (sistema básico) y en el conjunto de figuras Fig. 32 y 33  que son gráficos de apoyo a la clasificación original que permiten hacer continuas algunas de las "ventanas"  que aparecen en la Fig. 31. Una vez que se obtiene el RMR básico (un número entre 0 y 100), Bieniawski  propone ajustarlo en función de la relación entre la orientación del túnel y de las discontinuidades (cuadro  B de la Fig. 31). La definición de las condiciones "muy favorables" a "muy desfavorables" aparece en la  última Tabla de esta Figura según unas recomendaciones inicialmente propuestas en el sistema RSR. La  clasificación  RMR  proporciona  también  la  calidad  global  de  la  roca,  que  se  agrupa  en  cinco  categorías 
  • 44. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  41 (cuadro  C  de  la  Fig.  31)  y  una  indicación  del  tiempo  de  estabilidad  de  una  excavación  libre  (concepto  original de Lauffer) de la cohesión de la roca y de su ángulo de fricción (cuadro D de la Fig. 31).    Figura 31. Tabla para obtener el valor del RMR.  A partir del índice RMR es posible obtener:    1) Una idea del tiempo de estabilidad de excavaciones sin soporte (Fig.34). 
  • 45. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  42 2) Unas recomendaciones para el sostenimiento en túneles de forma de arco de herradura 10 m de  ancho,  construidos  por  el  sistema  convencional  (voladura)  siempre  que  la  presión  vertical  sea  inferior a 25 MPa (250 kg/cm2 ) equivalente a un recubrimiento de 100 m y asumiendo una γ  = 2.7  T/m3  ; σV  = 27 kg/cm2  (Fig.35).  3) Correlaciones con otras propiedades del macizo rocoso. Algunas correlaciones ya formaban parte  de la clasificación original (Fig. 31).     Otras propuestas son:   • Módulo de deformabilidad "in situ"     EM (GPa) = 2RMR ‐ 100 (si RMR>50) (Bieniawski, 1978)   EM (GPa) = 10(RMR ‐10)/40  (Serafim y Pereira, 1983)    • Parámetros de resistencia del criterio de rotura de Hoek‐Brown     El criterio se escribe    Donde   σc: resistencia a compresión simple de la roca matriz   m,s: parámetros relacionados con el grado de imbricación y fracturación del macizo rocoso.   Hoek y Brown (1988) propusieron:   Para macizos poco alterados (perforados con máquina tuneladora):    m = mi exp((RMR −100) / 28)  s = exp((RMR −100) / 9)    Para macizos más alterados (excavados mediante explosivos):          m = mi exp((RMR −100) / 14)  s = exp((RMR −100) / 6)  donde mi es el valor de m para la roca matriz (ver Hoek y Brown, 1980).   
  • 46. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  43   Figura 32. Sistema RMR 
  • 47. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  44   Figura 33. Sistema RMR  Crítica: Se han señalado los siguientes aspectos (Kirsten, 1988):   De forma natural, el sistema de cálculo (suma de contribuciones de  rango limitado) tiende a favorecer los índices medios de calidad.   Cambios radicales en un sólo parámetro (que pueden afectar de forma significativa a la respuesta  del macizo rocoso, como sería el caso de la resistencia de las discontinuidades) afecta poco al  índice global, debido, de nuevo, a la estructura del índice como suma de contribuciones.   El espaciamiento entre juntas parece sobrevalorado (aparece dos veces: de forma explícita e  indirectamente en el RQD).   El sostenimiento que se propone es el definitivo. Bajo la filosofía del NATM es necesario, en  ocasiones, considerar sostenimientos primarios y secundarios que no están definidos.  Más adelante se comparan entre sí los sistemas RMR y Q. 
  • 48. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  45   Figura 34. Tiempo de estabilidad de excavaciones sin soporte.      Figura 35. Recomendaciones para el sostenimiento en forma de arco de herradura (10 m de φ, σv < 25 MPa).  3.3.2.‐ Sistema Q (Barton, Lien y Lunde, 1974)  El índice Q se obtiene mediante la siguiente expresión:      donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes: 
  • 49. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  46  Jn  parámetro para describir el número de familias de discontinuidad   Jr  parámetro para describir la rugosidad de las juntas   Ja  parámetro para describir la alteración de las juntas   Jw  factor asociado al agua en juntas   SRF   factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, tensiones “in situ”)    La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos:       representa el tamaño del bloque medio.    reúne  términos  de  rugosidad,  fricción  y  relleno  de  las  juntas  y  representa  la  resistencia al corte entre bloques.    combina condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar una tensión  activa o eficaz.    Aunque en el índice Q no se menciona explícitamente la orientación de las juntas, señalan sus autores  que los valores de Jr y Ja se han de referir a la familia de juntas que con más probabilidad puedan permitir  el inicio de la rotura.    La descripción detallada de Q aparece en la Fig. 14. 
  • 50. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  47
  • 51. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  48  
  • 52. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  49                                                               Figura 36. Índices de Q. 
  • 53. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  50     En la práctica Q puede variar entre 103  y 10‐3 , lo que representa un rango considerablemente mayor  que  el  correspondiente  a  los  índices  del  resto  de  clasificaciones.  Cabe  señalar  que  el  método  trata  con  cierto detalle los factores de rugosidad de juntas, alteración y rellenos de las mismas. Los parámetros Jr y Ja  se deben establecer para la familia de discontinuidades con características más desfavorables (incluyendo  en este concepto no únicamente las juntas de peor calidad y resistencia‐intrínseca, sino también las peor  orientadas).  La determinación de Q permite la estimación del sostenimiento del túnel. Para ello se procede en tres  etapas:  1. Se  selecciona  el  grado  de  importancia  de  la  excavación  definido  mediante  un  índice  ESR  (Excavation  Support  Ratio)  que  viene  a  ser  un  factor  de  seguridad.  En  efecto,  Barton  homogeneiza los diámetros de las excavaciones a un diámetro “equivalente”, que se define  De = D/ESR.  Los valores de ESR aparecen en la Fig. 37. La referencia (ESR=1) corresponde típicamente a los  túneles que encontramos en obras de transportes (carreteras y ferrocarriles). Un cambio en  ESR conduce implícitamente a una percepción diferente de la seguridad que aceptamos para  una determinada obra.  2. Se  elige  el  tipo  de  sostenimiento  combinando  el  índice  Q  y  el  diámetro  o  luz  libre  de  la  excavación (afectado por el coeficiente ESR) (Fig. 38). En esta figura se aprecian también los  casos que no necesitan sostenimiento (por debajo del límite inferior de la figura). En general,  los casos de excavaciones no sostenidas de forma permanente se dan cuando:      Figura 37. Q vs SPAN/ESR  3. Cada  una  de  las  categorías  de  sostenimiento  indicadas  en  la  Fig.  38  corresponde  a  una  descripción  que  aparece  en  la  Fig.  39.  El  sistema  especifica  bulonado  (con  diferentes     
  • 54. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  51 características),  hormigón  proyectado  reforzado  o  no  y  arco  de  hormigón  con  encofrado,  reforzado o no.    Crítica: La casuística que reflejan algunos índices (como Ja o SRF) tiende a ser algo compleja y de  interpretación complicada. Kirsten (1988) sugiere, por ejemplo, una tabla alternativa para el cálculo de Ja  (Fig. 40). El sistema parece, por otra parte, bien adaptado para definir rocas de baja calidad.    Figura 38.  Valores orientativos de ESR en función del tipo de excavación 
  • 55. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  52
  • 56. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  53
  • 57. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  54   Figura 39. Clasificación de Barton para los casos estudiados. 
  • 58. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  55       Figura 40. Tabla alternativa para el cálculo de Ja.  3.3.3.‐ Comentarios finales  Los sistemas RMR y Q se han aplicado, desde su publicación, a centenares de proyectos bajo  condiciones variadas de litologías, calidad de roca, tamaño de excavación, profundidad, etc, y sus autores  han defendido su bondad y universalidad en numerosos artículos.    En la tabla de la Fig. 41 se comparan los factores que aparecen en ambas clasificaciones. El sistema Q  parace algo más completo aunque no se dan criterios claros sobre la importancia de la orientación y  buzamiento de las discontinuidades (como se hace en los sistemas RSR y RMR).    La aplicación de diversos sistemas a un mismo caso permite, por otra parte, calificar el grado de  conservadurismo relativo de cada método. Parece que el sistema RMR es algo más conservador que el Q.    Por otra parte, es lógico intentar una correlación entre los índices Q y RMR. Se han encontrado  relaciones del tipo:    RMR = 9 • ln (Q) + 44 = 20.7 • log (Q) + 44  (Bieniawski, 1976)    RMR = 13.5 • log (Q) + 43  (Rutledge, 1978)    RMR = 12.5 • log (Q) + 55.2  (Moreno Tallón, 1981)    En la Fig. 42 aparece la correlación obtenida en la perforación del Túnel del Cadí  (Prepirineo, España). 
  • 59. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  56   Figura 41.Comparación de los distintos factores que aparecen en las clasificaciones de Bieniawski (RMR) y Barton (Q). 
  • 60. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  57   Figura 42. Correlación entre índices Q y RMR para el Túnel del Cadí.         
  • 61. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  58 4.‐ TENSIONES EN TORNO A EXCAVACIONES   4.1.‐ Introducción   A la hora de plantear la construcción de un túnel, necesitamos conocer el estado de tensiones al que se  encuentra sometido el terreno objeto de la excavación. Hemos de tener en cuenta que la construcción de  un túnel, modifica el estado de tensiones, de manera que se genera un desequilibrio en el momento de  abrir la excavación y que dicho desequilibrio puede provocar que el terreno colapse entorno al túnel.     Necesitamos,  por  tanto,  algún  método  o  técnica  que  nos  permita  determinar  a  qué  tensiones  se  encuentra sometido el terreno.     En este capítulo estudiaremos las maneras de obtener dicho estado de tensiones para, posteriormente,  poder  calcular‐proyectar  un  tipo  de  sostenimiento  acorde  con  las  características  de  la  litología  que  encontremos a lo largo de la traza del túnel.   4.2.‐ Estado de tensiones in situ   Para empezar, podemos plantear dos maneras de obtener el estado de tensiones de forma sencilla:     I. Una primera hipótesis sería asumir que la deformación lateral es nula. Si asumimos que no existe  deformación en el plano perpendicular al eje de gravedad se tiene que:        Esto nos conduce a que las tensiones σx, σy las podamos hallar a partir de σz:    Siendo:    Donde       Lamentablemente, esta hipótesis no da muy buen resultado.     II.  Por otro lado, podemos establecer una segunda hipótesis: podemos asumir recubrimientos muy  fuertes (debido al confinamiento) que conducen a estados de tensiones hidrostáticos en los que no se  admiten tensiones tangenciales:     Esta hipótesis se afianza a medida que aumenta la profundidad. Pero, la mayoría de los túneles que se  proyectan y llevan a cabo se sitúan en profundidades inferiores a 500 m.   
  • 62. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  59 Luego, ninguna de las dos hipótesis expuestas se ajusta a la realidad. En consecuencia, la manera que  tendremos de obtener el estado de tensiones será a partir de medidas realizadas “in situ” con las diferentes  técnicas conocidas.     Dicho  razonamiento  se  refuerza  a  partir  de  distintos  estudios  de  entre  los  que  cabe  destacar  la  aportación  realizada  por  el  Dr.  Evert  Hoek.  Hoek  reunió  información  correspondiente  a  estados  de  tensiones  obtenidos  para  túneles  en  roca  de  proyectos  de  distinta  índole  realizados  a  escala  global,  e  intentó hallar una relación entre dichos estados y la profundidad a la que se encontraba la excavación. Los  resultados que obtuvo fueron los siguientes (ver Fig. 43 y 44):    Figura 43. Variación de K con la profundidad (Hoek & Brown) 
  • 63. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  60   Figura 44. Tensión vertical frente a profundidad (Hoek & Brown)  De la observación de la Fig. 43 podemos deducir que el grado de incertidumbre que existe a la hora de  determinar el coeficiente  K (que nos permite  hallar σH  a partir  de σZ)  es notablemente  mayor en zonas  someras (< 500 m) que en zonas profundas. En las primeras, K puede oscilar desde algo menos de la unidad  hasta 3 o 3.5 veces (hecho que sorprende para rocas). No se puede decir, por tanto, que siga un criterio  definido. Consecuentemente, los valores de las tensiones pueden ser significativamente diferentes.     Por otro lado, dicha figura ratifica el hecho de que al incrementarse la profundidad el rango de valores  que puede adquirir K se estrecha reduciéndose a valores que se mueven entre 0.5 y 1. (estado de tensiones  hidrostático).    
  • 64. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  61 De la Fig. 44 se desprende la idea de que existe una cierta correlación entre profundidad y tensión  vertical:    siendo γ=20‐30kN. Pero, a profundidades bajas se observa una gran dispersión que puede deberse a  distintos factores, como la precisión de los aparatos de medida o el grado de tectonización padecido por los  materiales.     En definitiva, no hay una teoría fiable a la que recurrir para determinar los estados de tensiones: para  obras importantes hay que medirlas.   4.3.‐ Estado de tensiones y resistencia de macizos rocosos   El problema de hallar el estado de tensiones entorno a una cavidad abierta de forma artificial como es  un  túnel,  ha  hecho  que  sean  numerosos  los  autores  interesados  en  encontrar  soluciones  ha  dicho  problema.  De  todas  las  posibilidades  que  presenta  este  reto,  la  más  sencilla  de  todas,  y  que  simplifica  enormemente  los  cálculos  es  la  de  resolver  este  problema  analíticamente  suponiendo  medio  elástico  e  isótropo, túnel profundo, de sección circular y en deformación plana.     Así, asumiendo dichas condiciones se obtiene la siguiente solución para el problema propuesto:  
  • 65. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  62   Figura 45. Solución para al problema descrito (Hoek & Brown)  Como  se  puede  apreciar,  la  solución  obtenida  es  independiente  de  las  constantes  elásticas  y  del  tamaño de la excavación. En otras palabras, es indiferente excavar el túnel en una litología o en otra y no  importa si el diámetro de la cavidad es de pequeño o de gran diámetro.     Evidentemente,  este  resultado  es  del  todo  inaceptable  desde  un  punto  de  vista  ingenieril,  pues  la  experiencia nos ha demostrado que en realidad esto no es así.     Pero, lo interesante de todo este razonamiento no es la solución en sí, sino lo que se desprende de ella.     En primera aproximación, da una idea de que las tensiones no están controladas por las características  del material sino por la geometría del túnel. Este hecho, que aparentemente es irrelevante, resulta de vital  importancia y nos será muy útil a la hora de proyectar un sostenimiento.    
  • 66. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  63 En los ejemplos que se exponen a continuación, se puede apreciar para el caso elástico cómo mejoran o  empeoran  los  estados  de  tensiones  al  adaptar  la  geometría  del  túnel  sin  modificar  las  características  descritas anteriormente.    Figura 46. Estado de tensiones principales y líneas de corriente entorno a una cavidad circular excavada en medio elástico  para K = 0.5. Las líneas de trazo continuo representan las tensiones principales mayores y las de trazo discontinuo las menores  (Hoek & Brown)   
  • 67. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  64   Figura 47.  Influencia de la geometría sobre el estado de tensiones. Comparación entre el circular y los restantes para K = 0  (Hoek & Brown) 
  • 68. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  65    En  la  Fig.  46  se  constata  lo  que  habíamos  visto  con  anterioridad.  La  zona  que  soporta  mayores  tensiones son los hastiales del túnel. En esta imagen se puede apreciar muy bien como el túnel actúa como  un concentrador de tensiones (ver líneas de corriente).    En la Fig. 47 se aprecia como en función de la disposición entre los semiejes mayores de la elipse y la  tensión principal mayor, los estados de tensiones son unos u otros. Así, para el primer caso se observa una  mejora  del  estado  de  tensiones  en  clave,  respecto  del  estado  que  soportaría  en  el  caso  de  geometría  circular.  Por  el  contrario,  para  el  último  caso  (elipse  con  semieje  mayor  dispuesto  horizontalmente)  los  estados de tensiones inducidos son pésimos ya que en clave se incrementa la tensión en dos unidades con  referencia al caso circular, generando un importante gradiente entre clave y hastiales. 
  • 69. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  66   Figura 48. Geometría típica para túneles de alcantarillado y túneles de carretera o ferrocarril respectivamente (Hoek &  Brown)   La Fig. 48  nos muestra dos tipos de secciones de excavación bastante usuales. La primera corresponde  a secciones de tipo alcantarillado. En ella se aprecia como las zonas donde existe mayor concentración de  tensiones es en los vértices inferiores y la bóveda; sobretodo los primeros.     La  otra  sección,  en  forma  de  herradura,  es  más  común  y  actual.  Suele  utilizarse  en  obras  lineales  sobretodo  carreteras  y  ferrocarril.  También  en  este  caso,  las  tensiones  mayores  se  concentran  en  la  confluencia de los hastiales con la contrabóveda.    
  • 70. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  67 De esta manera tenemos una idea de como confluyen las líneas de corriente y podemos reforzar dichas  zonas a la hora de diseñar el sostenimiento.    Figura 49. Geometría “ideal” en función de los estados de tensiones en clave y hastiales respectivamente.    En  la  Fig.  49  se  ha  representado  el  comportamiento  de  la  tensión  circunferencial  en  función  de  la  geometría y los esfuerzos. Si superpusiéramos ambos gráficos encontraríamos la sección óptima (estado de  tensiones en el contorno uniforme) para los valores de K.    Dado que la geometría va a ser importante nos interesará conocer, para un caso concreto (por ejemplo:  sección circular), cómo es el estado de tensiones entorno al túnel, si son tensiones de compresión o de  tracción,  de  qué  magnitud,  etc.  Para  ello,  utilizaremos  las  soluciones  del  problema  inicial  propuesto  y  particularizaremos para los puntos situados en clave, contrabóveda y hastiales. 
  • 71. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  68   Figura 50. Problema propuesto  El motivo por el cual tomamos dichos puntos y no otros se justifica porque facilitan los cálculos y por  otro lado, como veremos más adelante, es justamente en el contorno del túnel donde se adquieren los  estados de tensiones más desfavorables (ver Fig. 51 caso genérico para K = 0). En esta figura se ponen de  manifiesto dos factores:     • El primero es que en clave se generan tensiones circunferenciales de tracción, mientras que en el  hastial dichos esfuerzos son de compresión. Este hecho debe preocuparnos, pues nos interesa, como  veremos más adelante, que los estados de tensiones sean “homogéneos” y de compresión en todo el  contorno.   • El  segundo  y  no  menos  importante  es  que  el  estado  de  tensiones  justo  en  el  contorno  de  la  excavación es el más desfavorable (τ’s máximas), es decir, es la parte del terreno más susceptible de  que  rompa.  Además  hay  que  añadir  que  a  medida  que  nos  adentramos  en  el  macizo  rocoso  los  esfuerzos de corte decrecen, mejorándose la estabilidad.  
  • 72. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  69   Figura 51. Representación del estado de tensiones en clave y hastial derecho para el túnel descrito  utilizando la solución de  la Fig. 3 y siendo K = 0.  Llegados a este punto, la pregunta que cabe hacerse es de qué manera se puede determinar la frontera  entre esfuerzos de compresión y de tracción. Ésta se puede obtener de forma sencilla particularizando las  ecuaciones de la Fig. 45 para r = a. Al imponer esta condición, la única tensión distintas de cero será:    La tensión radial y de corte serán iguales a cero. Si damos valores al ángulo que corresponde a la clave y  contrabóveda (θ = 0º y 180º respectivamente) del túnel y a los dos hastiales (90º y 270º) se tiene que:    A partir de la primera ecuación e igualándola a cero, se deduce el valor de K que hace que la tensión  circunferencial sea nula y por tanto, que marca el límite entre las tensiones de tracción y compresión. Ese  valor no es otro que K = 1/3.   De esta manera se deduce que:   • Si K > 0.33 entonces: σθ siempre será de compresión en todo el contorno (añadiendo que el valor de K  < 3, que vendría deducido de igualar a cero la ultima ecuación.   • Si K < 0.33 aparecen tracciones.     Otras soluciones elásticas conocidas son:  
  • 73. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  70     Si  queremos  conocer  más  soluciones  analíticas  podemos  consultar  los  trabajos  de  los  siguientes  autores:   • Jaeger y Cook “Fundamentals of Rock Mechanics”. Chapman Hall, 11   • Muskhlishvili “Some basic problems of the Math. Theor. Of Elast.”. Nordhoff   • Savin (1961) “Stress concentrations around holes”. Pergamon     En definitiva, podemos adaptar la forma de la sección de excavación al estado de tensiones pero a la  práctica nadie diseña así los túneles. Quizá para un caso muy concreto podría llevarse a cabo, pero carece  de  sentido  el  ir  modificando  la  sección  en  función  de  las  características  de  las  litologías  que  vamos  atravesando.               
  • 74. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  71 5.‐ RESISTENCIA DE LA ROCA MATRIZ Y MACIZOS ROCOSOS   5.1.‐ Introducción   En el punto anterior hemos visto cómo tratar de determinar las tensiones entorno a una excavación. En  este apartado nos ocuparemos de ver qué tensiones son capaces de resistir tanto la roca matriz como el  macizo rocoso utilizando criterios de rotura. Además, veremos  cómo influirá uno u otro factor de forma  determinante dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el túnel, pues esto condicionará el  mecanismo de rotura.       Como  acabamos  de  introducir,  debemos  hacer  una  distinción  entre  túneles  someros  y  túneles  profundos en roca a la hora de hablar de resistencia.       El factor que nos preocupará a la hora de proyectar un túnel somero en roca vendrá marcado por la  estructura,  grado  de  alteración  de  las  juntas  y  discontinuidades  del  macizo  rocoso.  Por  tanto,  cuando  hablemos de resistencia nos estaremos refiriendo a la resistencia del conjunto del macizo rocoso.       Para  el  caso  de  túneles  profundos  en  roca,  será  el  estado  de  tensiones  el  que  nos  preocupará  y  consecuentemente cuando hagamos referencia a  la resistencia nos estaremos refiriendo a la roca matriz.       Figura 52. A la izquierda ejemplo de un túnel somero y a la derecha de un túnel profundo   La información con que se cuenta en la actualidad sobre ambas resistencias (roca matriz y sobre el  comportamiento  del  macizo  rocoso)  es  un  tanto  desigual.  De  entre  los  diferentes  factores  que  lo  condicionan, el motivo principal por el cual esto sucede se debe a que abundan mucho más los proyectos  sobre túneles “someros” que no sobre profundos. Es por este motivo que existe muchísima información  sobre resistencia de la roca matriz, mientras es más bien escasa la que hace referencia a la estabilidad  global de la excavación, es decir, al comportamiento del macizo rocoso.   5.2.‐ Investigación experimental sobre la roca matriz     Son numerosos los ensayos que nos permiten obtener los parámetros de resistencia de la roca matriz.  Podemos citar los más conocidos:   
  • 75. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  72   En este último, hay que reseñar que la prensa en la que se lleve a cabo el ensayo debe ser muy rígida o  con control de deformación (servocontroladas) para poder estudiar el comportamiento post‐pico.   5.3.‐ Criterio de rotura para la roca matriz   Existen diversos criterios de rotura. Los más conocidos son el de Mohr‐Coulomb que es de tipo lineal y  el  criterio  de  Hoek  &  Brown  que  es  de  tipo  cuadrático.  El  primero  se  suele  utilizar  mucho  en  suelos,  mientras que el segundo tiene una amplia difusión en rocas.             Figura 53. . Criterios de rotura de Hoek & Brown y Mohr‐Coulomb respectivamente (Alonso, 2002)  Este  último  será  el  criterio  de  rotura  que  nosotros  utilizaremos.  Se  basa  en  ideas  de  Griffith  (Propagación de fisuras) y tiene la siguiente expresión:    donde σc es la resistencia a compresión simple de la roca matriz y los parámetros m y s son constantes  que se determinan experimentalmente y que son función de la calidad de la roca.     Trataremos de que este criterio de rotura que acabamos de definir para la roca matriz sirva también  para el macizo rocoso relacionando m y s con los índices  de calidad de la roca Q y RMR  que vimos en  profundidad en el capítulo anterior.    
  • 76. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  73 Ahora veremos qué valores podrán adoptar m y s. Para ello nos basaremos en los resultados de datos  experimentales deducidos de los ensayos de laboratorio siguientes:     Compresión  simple:  el  estado  de  compresión  simple  sobre  una  muestra  de  roca  se  caracteriza  por  valores de tensión principal σ1>0 y σ3=0. Por lo que, sustituyendo σ3=0 en la ecuación de arriba resulta:     Si la roca se encuentra intacta necesariamente σ1=σc (es el valor de resistencia a compresión simple de  la roca); esto nos conduce a que:    Por tanto, s está acotado superiormente por un valor igual a 1, esto en el caso de que la roca matriz  este intacta. Si la roca se encuentra alterada o rota forzosamente s < 1. Y el caso límite (cota inferior de s)  será que la roca no resista nada y por tanto s = 0. En definitiva  s[0, 1].    Tracción  pura:  dicho  estado  se  caracteriza  por  valores  de  tensión  σ1=0  y  σ3<0.  De  esta  manera,  si  sustituimos el valor indicado para σ1 en (9) se tiene que:     y si notamos σt=σ3:    reagrupamos  para  obtener  una  ecuación  de  segundo  grado  donde  σt  es  la  incógnita.  Resolvemos  y  resulta:    Si  s  se  hace  pequeño  =>  0→σt.  Concretamente,  para  s  =  0  tenemos  0=σt;  no  resiste  tensiones  de  tracción,  hecho  que  coincide,  como  ya  apuntábamos  en  el  caso  anterior,  con  un  macizo  rocoso  muy  fracturado.   
  • 77. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  74   Figura 54. . Criterio de rotura de Hoek & Brown y este mismo, adaptado al plano de Mohr, respectivamente (Alonso, 2002)  En resumen, lo que nos debe quedar claro de este parte es que del análisis experimental sobre la roca  matriz se desprende que m y s, a poco que exista el más mínimo grado de alteración / fracturación de la  roca, caen a cero. Por tanto, necesitamos información que nos permita relacionar ese grado de “alteración  / fracturación” con los valores de dichos parámetros. En el punto que sigue a continuación se tratará de  hallar una relación entre litología y valor que adquiere m.     DATOS EXPERIMENTALES DEDUCIDOS DE LA ROCA MATRIZ     A partir de datos experimentales, se ha tratado de obtener una relación entre las tensiones principales  y el valor de m. Para ello se efectuaron numerosos ensayos obteniendo las tensiones principales de rotura  para distintas muestras de una misma litología y se representaron sobre un gráfico. El objetivo es ajustar  una función a los puntos representados mediante regresión cuadrática de manera que se pueda obtener un  valor  aproximado  para  m.  Nos  interesa  que  la  función  a  ajustar  siga  el  criterio  de  rotura  que  hemos  definido. Luego, habrá que llevar a cabo un pretratamiento de la ecuación. Recordemos que el criterio de  rotura  que  utilizaremos  es  el  de  la  ecuación  (9).  Si  asumimos  que  la  roca  está  intacta  (roca  matriz),  entonces s = 1, quedándonos:    Se desea transformar esta ecuación en la ecuación de una recta del tipo: y = mx+n de manera que sea  deducible  m.  Para  ello,  utilizaremos  la  primera  ecuación  (m  y  σc  son  incógnitas  a  determinar)  reagruparemos términos y elevaremos al cuadrado la expresión.    notando: y como (σ1−σ3)2   y x como σ3 nos queda: 
  • 78. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  75   siendo k =1, 2, 3, ...     Esto nos lleva a poder obtener el valor de m para cualquiera de las litologías conocidas utilizando esta  técnica. En los gráficos que se muestran a continuación ambas tensiones principales se hallan normalizadas  por el coeficiente σc, de manera que podemos hallar m por regresión sin que este afecte (ver Fig. 13).    Figura 55. Valores de m obtenidos a partir de regresión para GRANITO y ARENISCA.     El  valor  de  σc  refleja  la  resistencia  de  los  granos/cristales,  mientras  que  m  refleja  en  qué  forma  se  propagan las fisuras (estructura, cementación, porosidad, microfisuración....) mide el grado de imbricación  de la roca.   Los resultados obtenidos con este  método se resumen en la tabla 1. En  ella se puede apreciar que  existe una menor variación del rango de valores para m que para σc.    Tabla 1. Valores de σc    En la Tabla 2 se muestran algunos valores orientativos de m para distintos tipos de rocas: 
  • 79. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  76   Tabla 2. Valores de m.      Factores que afectan a los estados tensionales hallados en los ensayos     Existen una serie de factores que pueden condicionar los resultados obtenidos en ensayos, a partir de  los cuales realizamos la regresión con el fin de determinar el valor de m para una litología determinada.     Estos factores son de distinta índole y seguidamente los desarrollaremos:   1) Definición de rotura: máxima tensión desviadora.   2) Tensiones efectivas: hay que ver si la muestra es porosa y si ésta está interconectada. Si la roca  es poco porosa, no se pueden aplicar tensiones efectivas, no sabemos muy bien cómo trabajar.  En presencia de juntas trabajaremos en tensiones efectivas: σ'=σ−u.   3) Saturación de la roca: una roca seca resiste más que una roca saturada. Con los testigos de roca  que utilicemos en el laboratorio hay que tener el mismo cuidado que en suelos. El valor de m  prácticamente no cambia.   4) El valor de σ2: en general tiene poca importancia, no repercute en los resultados obtenidos.   5) El tamaño de la muestra: está ligado a las imperfecciones de la muestra. Cuanto mayor es el  diámetro de la misma, más cae el valor de resistencia. Esto se debe a que la probabilidad de  que existan fisuras en una muestra de mayor diámetro se incrementa y provocan la rotura del  testigo (incluso en testigos de roca matriz). Por lo que hay que normalizar el diámetro con el fin  de tener una referencia: se utiliza un diámetro de 50 mm.         5.4.‐ Juntas en el macizo rocoso   Una vez analizado el comportamiento para la roca matriz, nos ocuparemos del macizo rocoso, de la  importancia  de  la  existencia  de  fracturas,  y  de  cómo  la  disposición  de  estas,  así  como  su  número  y  continuidad determinan decisivamente su resistencia.    De la misma forma que hicimos para la roca matriz, ahora nos interesa tener un criterio de rotura para  el  conjunto  del  macizo  rocoso,  es  decir  nos  interesa  una  función  de  que  dependa  de  las  tensiones  principales.    
  • 80. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  77 Para tratar de caracterizar la resistencia de las juntas lo que haremos será remitirnos al caso sencillo, es  decir, estudiar como rompe una muestra de roca que contenga una única junta. En principio, contaremos  con dos criterios de rotura diferentes: uno para la roca matriz y otro para la junta.     El que nos interesa determinar es el que hace referencia a la junta. Un criterio sencillo sería aceptar  que la junta tiende a ser friccional. En tal caso, vamos a proponer el criterio de rotura de Mohr‐Coulomb.  (e)  Primero investigaremos roturas a favor de la junta. Queremos hallar los valores de σ1 y σ3 para este  caso. Transformamos la primera ecuación como sigue:    que sustituyendo en la ecuación se obtiene la función:  (1)  que será el criterio de rotura, siempre y cuando la rotura se produzca por deslizamiento por un plano  inclinado β , bien definido, y cuyas propiedades sean c y  .     Manipulando dicha expresión se llega a esta otra (donde habrá deslizamiento si se cumple que σ1 es  mayor o igual que σ3) criterio de rotura teniendo en cuenta que romperá la junta y no la probeta:    Representamos la función correspondiente a la ecuación (1) (ver Fig. 56). 
  • 81. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  78   Figura 56. . Representación gráfica teórica de la ecuación (1) para distintos valores de 3σ. Funciona bien si el plano de rotura  está bien definido  La información que se desprende de su lectura es la siguiente. Marcado con trazo grueso de color azul  tenemos,  a  modo  de  ejemplo,  la  curva  debida  a  un  valor  determinado  de  σ3.  En  trazos  más  finos  se  muestran lo mismo pero para otros valores de σ3 diferentes. Se observa que el trazo se compone de dos  tramos rectos y uno curvo, zonas I y II respectivamente, que se corresponden con rangos de valores para el  ángulo β, en los que indica que la roca rompe por la matriz o por la junta en uno y otro caso.     Justo en el paso de curva a recta se marcan dos tendencias a infinito. Esto se hace para indicar que no  existe  posibilidad  de  deslizar  la  junta  por  mucho  que  se  incrementen  las  tensiones  en  la  dirección  que  indica β, lo que no quiere decir que no pueda romper por la roca matriz para un valor determinado de 3σ.  En la zona II se indica que existe la posibilidad de deslizamiento con ese plano, por tanto, cuando se cumple  el mínimo de los criterios. El trazo rojo haría referencia a la roca matriz sin ninguna junta.     Hoek trató de adaptar su criterio de rotura a la forma del gráfico de la Fig. 56. Trató de hallar una  relación tanto para m y β, como para s y β. Pero transformó tanto la ecuación que la dejó inservible. Pese a  todo, aunque lo hubiese logrado, no resultaría una buena aproximación al criterio de rotura para un macizo  rocoso.     De  la  misma  forma  que  desarrolló  para  una  junta,  también  lo  hizo  para  cuando  existen  varias  discontinuidades  en  la  muestra.  El  gráfico  que  se  obtiene  es  del  estilo  que  aparece  en  la  Fig.  57.  Se  representa cada discontinuidad (junta) como si no estuviesen las otras. 
  • 82. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  79   Figura 57. Representación gráfica teórica para varias juntas, cada una representada con un color. La línea horizontal  representa la roca matriz. Todo para un 3σdeterminado   En  los  casos  que  sean  muy  numerosas  las  juntas  la  resistencia  del  macizo  rocoso  se  reduce  sustancialmente, según la teoría. Entonces se prescinde del valor de β (desaparece como tal). En tal caso  puedo  aplicar  el  criterio  original  (ver  ecuación  (e)),  donde  los  parámetros  m  y  s,  como  ya  hemos  visto,  disminuirán en función de la calidad del macizo rocoso.     Hoek realizó una serie de experimentos con el fin de ver si su teoría se ajustaba a la realidad. En la Fig.  58 se muestran algunos resultados de sus experimentos. 
  • 83. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  80   Figura 58. Ensayos triaxiales sobre pizarra y sobre arenisca fracturada (Hoek & Brown).     Se aprecia que se ajusta bien para la junta, pero el criterio para la roca matriz queda distorsionado.     El esfuerzo de Hoek se centró precisamente en los parámetros m y s para macizos rocosos y trató de  relacionarlo con las clasificaciones geomecánicas. Pero, ¿cómo relacionar dichos parámetros con los índices  Q o RMR?.     Para ello, realizó un estudio junto con Bray, sobre una misma roca con distintas calidades. La roca sobre  la que llevaron a cabo los ensayos de tipo triaxial fue una andesita de Nueva Guinea. La tabla III recoge los  resultados del estudio.    Tabla 3.  Valores obtenidos para distintas calidades de roca sobre la Andesita de Nueva Guinea      En la tabla vemos que por poco que la roca esté alterada enseguida los valores de m y s caen a cero.  Para verlo mejor, representaron los datos en un gráfico logarítmico (ver Fig. 59).     Llegados a este punto lo que les interesaba ahora era poder aplicar esto mismo a todas las litologías de  todos los macizos rocosos. En definitiva crear una serie de correlaciones entre el índice de calidad de la  roca (Q y RMR) y los valores de los parámetros m y s. Y lo consiguieron. Los distintos valores que hallaron 
  • 84. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  81 para cada conjunto de rocas aparece en la Fig.60. Análogamente hicieron con los criterios de rotura, cuyos  resultados se resumen en la tabla de la Fig. 61.    Figura 59. Andesita de Nueva Guinea (Hoek & Bray)     En  resumen,  el  interés  demostrado  en  hallar  los  valores  de  m  y  s  se  debe  a  que  gracias  a  ellos  podremos determinar un criterio de rotura tanto para la roca matriz como para el macizo rocoso. Estos  serán fácilmente deducibles conociendo previamente el índice de calidad de la roca y su pertenencia a una  litología concreta. Para el trabajo que hay que realizar en la asignatura, necesitaremos consultar la Fig. 60  para poder determinar qué criterio de  rotura sigue  cada una  de  las litologías que atraviese la traza del  túnel. 
  • 85. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  82   Figura 60. Tabla que relaciona el índice de calidad de la roca con la litología. Para cada caso se señalan los valores de m y s  respectivamente (Bieniawski, 1974) 
  • 86. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  83   Figura 61. Criterios de rotura en función de la litología y el RMR o Q (Bieniawski, 1974) 
  • 87. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  84 6.‐ INTERACCIÓN TÚNEL‐SOSTENIMIENTO   6.1.‐ Introducción   Bajo ciertas condiciones de simetría de carga y geometría regular de la excavación (excavación cilíndrica  o esférica) es posible efectuar un análisis simplificado de la interacción terreno‐sostenimiento que permita  el proyecto de este último. Aunque el análisis es relativamente sencillo, se tienen en cuenta parámetros  fundamentales  del  terreno  (módulos  elásticos,  criterios  de  rotura,  deformabilidad  post‐rotura)  y  del  sostenimiento (rigidez y su última carga). La idea fundamental del procedimiento se esquematiza en la Fig.  62.  Supongamos  un  túnel  profundo  de  forma  que,  con  buena  aproximación,  se  pueda  prescindir  en  el  entorno  del  túnel  del  gradiente  de  tensiones  que  introduce  la  gravedad  (en  la  práctica  ello  supone  recubrimientos de al menos 10 veces el diámetro). Se supone también un estado isótropo de tensiones de  intensidad p0. Consideremos (en la Fig. 62) el avance de la excavación y cuatro secciones significativas. Lejos  del frente, en la roca (sección AA’), sobre el futuro contorno teórico del túnel actúa la tensión p0.  Esta  sección aún no se ha deformado, de manera que el desplazamiento radial, ui de los puntos de la sección  teórica del túnel es nulo.    Figura 62. Esquema de una sección longitudinal del avance del túnel  En la sección BB’, ya excavada y próxima al frente, la tensión p0 ha desaparecido y el contorno del túnel  ha  experimentado  un  desplazamiento  hacia  el  interior  (ui).  Debido  a  la  marcada  tridimensionalidad  del  problema no es posible en principio efectuar un análisis bidimensional en sección plana. De hecho, en estas  condiciones  (2D,  deformación  plana)  una  sección  circular  sin  presión  interior  se  deformaría  frente.  Sin  embargo se podría mantener el análisis bidimensional si se supusiera la existencia de una presión pi ficticia  tal que su aplicación conduzca al mismo desplazamiento radial ui que en el caso real tridimensional. En este  caso la variación continua desde pi= p0 hasta pi=0 reproduciría el complejo proceso de deformación desde  una sección AA’, sin alterar por la construcción del túnel hasta la sección del túnel sin revestimiento alguno  y alejada del frente, para evitar su efecto 3D. La relación entre esta pi y ui constituye la denominada “curva 
  • 88. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  85 característica” o “curva de convergencia” del túnel y sólo depende de las propiedades del terreno (para una  geometría  circular).  Esta  relación  se  ha  representado,  de  forma  cualitativa  en  la  Fig.  2  (curva  CC  (curva  característica)). Lo normal, sin embargo, es que a una cierta distancia del frente d (sección CC’) se coloque  un determinado sostenimiento (bulones, hormigón proyectado, cerchas, revestimientos continuos o una  combinación de alguno de ellos) que inmediatamente entrará en carga al menos por dos razones:   • El progresivo alejamiento del frente lo que supone la disminución virtual de la carga pi y por tanto  un incremento de deformación radial.   • Las deformaciones diferidas de la roca al transcurrir el tiempo.     En primera aproximación el revestimiento reaccionará con una determinada rigidez constante (k) frente  a las deformaciones impuestas.    Figura 63. Representación de las distintas curvas en un gráfico pi vs ui  Teniendo en cuenta que se instala una vez que la roca se ha deformado una magnitud ud, la respuesta  del revestimiento se puede escribir:    El desplazamiento ud corresponde a una determinada presión virtual sobre el túnel pd. La ecuación (1)  anterior  se  denomina  CF  (curva  de  confinamiento)  en  la  Fig.  63.  Finalmente,  túnel  y  revestimiento  alcanzarán una posición única de equilibrio (sección DD’) cuando se alcancen la presión y desplazamiento  (peq, ueq) comunes a las dos curvas CC y CF.    Para  una  determinada  curva  CC  el  proyectista  o  constructor  puede  optar  por  la  instalación  de  un  revestimiento muy próximo al frente (ud1) o lejos de él (ud2), Fig. 64. Puede también elegir la rigidez del  sostenimiento  (rígido:  k1;  deformable  kn).  En  principio,  cuanto  más  rígido  sea  un  sostenimiento  y  más  próximo  al  frente  se  instale,  mayor  será  la  presión  de  equilibrio  que  ha  de  soportar  y  menor  el  desplazamiento radial (o convergencia) del túnel. 
  • 89. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  86   Figura 64. Distintas opciones a la hora de elegir el sostenimiento  Para aplicar este método es necesario:   • Determinar la curva CC (que sólo depende de las características del terreno)   • Determinar la rigidez del sostenimiento (k).   • Determinar la deformación del túnel ud (o de forma equivalente, pd) correspondiente a la instalación  del sostenimiento.     Para determinar la curva característica del terreno se considerará sucesivamente el comportamiento  elástico y elastoplástico del terreno. Se presentan soluciones para dos criterios de rotura:   • Criterio de Mohr‐Coulomb, por ser de uso generalizado, tanto en macizos rocosos como en suelos.  Permite  de  forma  natural  tratar  las  condiciones  no  drenadas  (c  =  cu,    =  0)  y  puramente  friccionales (c = 0,  ).   • Criterio  de  Hoek‐Brown,  por  su  fidelidad  para  reproducir  las  envolventes  de  rotura  no  lineales  observadas en rocas.   Se  examinará  el  caso  de  túnel  circular  en  deformación  plana  y  el  caso  esférico  (comportamiento  elástico y criterio de Mohr‐Coulomb). La cavidad esférica, aparte del interés que tiene en si misma para el  análisis  de  excavaciones  subterráneas  de  formas  diversas,  es  una  aproximación  interesante  al  comportamiento  en  las  proximidades  del  frente  y  proporcionan  información  útil  para  entender  sus  condiciones de estabilidad.    El método descrito tiene las limitaciones que se derivan de las hipótesis o condiciones que conducen a  su formulación. Las más sobresalientes son:   • Estado de tensiones inicial isótropo y homogéneo.   • Geometrías circulares.   • Dificultades  para  adaptar  el  comportamiento  tridimensional  del  frente  y  en  para  estimar  el  movimiento ud.   Como  ventajas  se  señala  que  es  posible  obtener  soluciones  analíticas  para  muchos  casos,  que  la  comparación con otros métodos más avanzados (numéricos) es bastante satisfactoria y que proporciona un  buen entendimiento de los fenómenos de interacción entre terreno y sostenimiento. 
  • 90. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  87 6.2.‐ Determinación de la curva característica   6.2.1.‐ Elasticidad. Túnel circular en deformación plana   El problema clásico se representa en la Fig. 65. Se conocen soluciones en elasticidad en función del  coeficiente de empuje K0. Si K0 = 1 el problema se simplifica pues la única componente no nula del campo  de desplazamientos es el desplazamiento radial u, que únicamente depende de r: u(r). Se adopta como  valor  positivo  de  u  el  que  sigue  a  la  dirección  de  r.  En  coordenadas  cilíndricas  (r,θ,  z),  la  ecuación  de  equilibrio en dirección r es:    Las dos tensiones σr, σθ son tensiones principales por lo que τrθ = 0 en este caso. Para deformaciones  correspondientes εr y εθ se adopta el criterio de signos siguiente:   • Deformación de compresión: positiva   • Deformación de extensión: negativa     Se define por tanto,    Suponiendo terreno elástico isótropo (constantes; E, υ) las relaciones tensión‐deformación son      donde σr, σθ y σz son tensiones principales. Teniendo en cuenta que εz = 0 (deformación plana) 4a y 4b  se convierten en   
  • 91. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  88   Figura 65. Túnel circular en deformación plana  que interesa también escribir en forma incremental        A partir de (5) y (3), también    donde      Sustituyendo estas expresiones en (2) se obtiene    que es la ecuación de equilibrio en función del corrimiento. Esta ecuación no depende de las constantes  elásticas.     Las soluciones de (7) son del tipo    donde A y B son constantes que se determinan con las condiciones de contorno 
  • 92. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  89   lo que resuelve el problema. Se obtiene, finalmente, la siguiente expresión para las tensiones    que se dibujan cualitativamente en la Fig. 66.    Figura 66. Relación de tensiones en función del radio  La tensión σθ se mantiene por encima de la σr y alcanza un máximo en el contorno de la excavación. El  valor de σr  por el contrario, crece continuamente con el radio hasta alcanzar la tensión p0. Teniendo en  cuenta que   (ecuación 10) y que si )   (ec. 4c),la tensión σz en el  entorno del túnel tiende a ser intermedia entre σθ y σr para los valores usuales de υ (0.3‐0.5).    Deformaciones y desplazamientos   Si se adopta como estado de referencia (movimientos nulos) el correspondiente a la equicompresión  inicial, las deformaciones están inducidas por los cambios experimentados por las tensiones:    A partir de (5):    Comprobamos que la deformación volumétrica es nula en cualquier punto:    En la pared del túnel (r = ri) 
  • 93. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  90   Donde  es el módulo de deformación de corte.    La ecuación (14) proporciona la curva característica del túnel en régimen elástico, representada en la  Fig. 67 como relación entre pi y el movimiento ui, normalizado con relación al radio del túnel.    Figura 67. Curva característica del túnel en régimen elástico  6.2.2.‐ Elasticidad. Excavación esférica   En  un  campo  tensional  uniforme  de  intensidad  p0  el  problema  tiene  simetría  puntual.  Los  únicos  desplazamientos no nulos (u) se dirigen hacia el centro de la esfera.    Figura 68. Esquema para el problema elástico con cavidad esférica  En un sistema de coordenadas esférico (r, θ, α)(Fig. 68), σθ = σα y la ecuación de equilibrio en dirección  radial se escribe    Las deformaciones normales son ahora   
  • 94. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  91 Las relaciones tensión deformación son idénticas a las (4), sustituyendo en la tercera z por α. Teniendo  en cuenta que σθ = σα; εθ = εα,    Y en forma incremental    Las relaciones inversas, a partir de (17) son    Donde  .    Sustituyendo (19) en (15) y haciendo uso de (16):    que es la ecuación de equilibrio, en términos de desplazamiento radial, para el problema esférico.    Su solución se escribe    donde  A  y  B  son  constantes  que  se  determinan  con  las  condiciones  de  contorno  (9).  Se  obtiene  fácilmente la solución siguiente para las tensiones    Se observa que las tensiones disminuyen ahora con el cubo del radio. De nuevo σθ = σα se mantienen  por encima de σr.     Deformaciones y desplazamientos   Los cambios de tensiones, con relación al estado de referencia (p0) son 
  • 95. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  92   y a partir de (18):    Comprobamos también que la deformación se produce a volumen constante:    En el contorno del túnel, r = ri    que es la curva característica elástica para la excavación esférica, que se ha representado también en la  Fig. 67. Se comprueba la mayor rigidez global de la cavidad esférica con relación a la cilíndrica.    6.2.3.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb   El descenso paulatino de pi  puede provocar la plastificación del contorno del túnel y la formación de  una corona plástica de espesor e = re – ri creciente (Fig. 69). En el entorno del túnel distinguimos pues, dos  zonas.   • Zona elástica (r > re)     Figura 69. Esquema para el problema elastoplástico  Es válido el desarrollo anterior modificando las condiciones de contorno (9) que ahora son:    donde σre es la tensión radial en el contacto entre las zonas elásticas y plástica.  
  • 96. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  93   Se obtiene    Procediendo de forma similar, se calculan las deformaciones    En la frontera, r = re    y las tensiones son      • Zona elastoplástica (ri < r < re)   Si σ1 y σ3 son las tensiones principales mayor y menor, el criterio de rotura de Mohr‐Coulomb se escribe  (ver también Fig. 70a y 70b),    Donde    es el “coeficiente de empuje pasivo”,   el ángulo de rozamiento interno, c la cohesión y    Por lo expuesto anteriormente, los puntos del terreno próximos al contorno seguirán típicamente la  trayectoria  de  tensiones  t  señalada  en  la  Fig.  70b.  A  partir  de  un  estado  isótropo  de  tensiones,  σθ  (identificable  con  σ1)  aumenta,  mientras  que  σr  (identificable  con  σ3)  disminuye.  La  condición  límite  se  alcanza  en  la  envolvente  (32).  Se  supondrá  asimismo  que  tras  alcanzar  la  superficie  límite  las  deformaciones continúan a tensión desviadora constante (plasticidad perfecta). Se supone también una ley  de plasticidad no asociada a fin de calcular las deformaciones plásticas. Se adopta un potencial plástico  similar a (32) con un ángulo de dilatancia ψ: 
  • 97. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  94   Figura 70. Trayectoria de tensiones  Donde    y C es una constante.     La ecuación de equilibrio (2), con la condición de rotura (32) σ1 = σθ, σ3 = σr, conduce a la ecuación    que puede integrarse entre (ri, r) y (pi, σr): 
  • 98. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  95   y, teniendo en cuenta (32):      Caso φ = 0 ; c = cu   Un  caso particular de interés, especialmente cuando se analizan condiciones no drenadas o a corto  plazo en materiales arcillosos, corresponde al criterio de rotura    En ese caso, la ecuación (37) se convierte en    y tras su integración se obtiene      Caso c = 0, φ  En materiales puramente friccionales, (38) y (39) se convierten en      Extensión de la zona plástica   Para obtener el radio de plastificación se harán compatibles las tensiones radiales calculadas en la zona  elastoplástica y en la zona elástica (en el límite, cuando   las tensiones elásticas deben encontrarse  en rotura). En efecto, las tensiones dadas por (31) deben cumplir el criterio de Mohr‐Coulomb:    lo que proporciona σre:    Esta tensión debe ser igual a la que se deduce de (38) (zona elastoplástica) cuando  . Esta igualdad  permite obtener el radio de la zona plástica: 
  • 99. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  96     La plastificación se inicia en el contorno del túnel cuando  . Esta condición conduce a    que se obtiene también si se obliga a que las tensiones elásticas en la pared del túnel  ( ) cumplan el criterio de rotura (32).    En condiciones no drenadas (  = 0 ; c = cu) se encuentra el radio re haciendo que el valor de σr, para  dado en (42a) sea igual al valor límite en la zona elástica dado por (45) para ( ) y c = cu:    y por consiguiente      En el caso puramente friccional (c = 0,  ), a partir de (45) y (46).      A partir de las expresiones (42) (zona plástica) y (28) (zona elástica) para condiciones no drenadas, en la  Fig.  71  se  dibuja  la  distribución  de  tensiones  normalizadas    y    en  función  del  radio  normalizado  ( )  para  dos  valores  de  la  presión  interior    y  .  En  los  casos  dibujados  se  supone  que  la  tensión  isotrópica  de  confinamiento  es  ,  siendo  qp  la  resistencia  a  compresión  simple. Si se compara esta distribución con la dibujada en la Fig. 67, se observa la profunda modificación  que impone la plastificación del terreno. El pico que se observa en la distribución de σθ  corresponde a la  posición del radio del borde exterior de la zona plástica. 
  • 100. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  97   Figura 71. Relaciones tensión‐deformación normalizadas  Deformaciones y desplazamientos. Curva característica   Consideremos las deformaciones experimentadas por un punto de la zona elastoplástica desde el inicio  de  la  excavación.  Ese  punto  habrá  experimentado,  hasta  llegar  a  su  estado  de  tensiones,  cambios  en  régimen elástico (EL) y cambios en régimen elastoplástico (EP). La deformación final total a lo largo de su  historia de cambios de tensiones se puede escribir, para el caso circunferencial, por ejemplo    Si  hacemos  la  hipótesis  de  que,  una  vez  alcanzada  la  plastificación  las  deformaciones  elásticas  son  despreciables frente a las plásticas, podríamos escribir    donde   es la (máxima) deformación elástica experimentada antes de alcanzar la envolvente de rotura  y   es la deformación plástica total a partir de ese momento.    Cabe  escribir  la  misma  expresión  para  .  Teniendo  en  cuenta  la  expresión  de  las  deformaciones  totales en función del corrimiento (3), se cumple:    Las deformaciones elásticas máximas se alcanzaban en el punto en cuestión cuando estrictamente se  llegue a la plastificación. Las expresiones de   y   se pueden obtener a partir de (22a) cuando  : 
  • 101. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  98   y, teniendo en cuenta (45):    Valores que no dependen del radio. Dependen únicamente de las constantes elásticas y plásticas y de la  tensión de confinamiento.   La  ley  de  fluencia  plástica  nos  permite  obtener  la  relación  entre    y  .  En  efecto,  teniendo  en  cuenta (35)    y por tanto:    La ecuación (53a), teniendo en cuenta (53b) y (57) se escribe    Que es una ecuación diferencial integrable (  es constante). La solución en el dominio  , con  la condición de contorno.    Es    y en la pared del túnel (r = ri , u = ui):    que  es  la  curva  característica  del  túnel  (ui,  pi).  La  variable  pi  se  encuentra  incluida  en  el  radio  re  (expresión 46) y la deformación   está dada por (55a).    Caso no drenado (0=ψ= ; c=cu)   Recordando la expresión (4a) y que la deformación elástica (55a) se convierte en   
  • 102. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  99 la curva característica (61) se reduce a      Esta expresión es válida siempre que se haya iniciado la plastificación, es decir siempre que la presión  interior pi sea inferior a (47), que para el caso no drenado es simplemente      Para valores de pi mayores que  , la curva característica viene dada por (14).     En la Fig. 72 se representa la curva característica correspondiente a las condiciones de la distribución de  tensiones de la Fig. 10 es decir  . La propia estructura de la expresión (63) permite normalizar las  convergencias  relativas  ( )  con  relación  al  parámetro  adimensional  .  El  parámetro    tiende a ser constante para amplias clases de suelos y rocas siempre que no cambie mucho el rango de  deformaciones. En la Fig. 73 se recoge información en este sentido publicada por Jardine et. al. (1989) para  suelos con diferente grado de sobreconsolidación ( ).      Figura 72. Curvas características de Mohr‐Coulomb  6.2.4.‐ Elastoplasticidad. Cavidad esférica. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb   Nos referimos de nuevo a la Fig. 69 suponiendo condiciones esféricas. 
  • 103. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  100   Figura 73. Forma de hallar el cu    • Zona elástica (r>re)     Es de aplicación el desarrollo efectuado en el Apartado 2.2 modificando las condiciones de contorno (9)  por las (27).     Se obtienen las tensiones    De forma análoga a lo expuesto en el Apartado 2.2. se calculan las deformaciones    En el límite de la zona plástica (r>re) 
  • 104. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  101   A partir de (66), los corrimientos en la zona elástica son    Las tensiones en la frontera (r>re) son, a partir de (65),        • Zona elastoplástica ( )     En el caso esférico se cumple   y   y el criterio de rotura será:    La ecuación de equilibrio (15) y la condición (70) conducen a    que puede integrarse entre ( ) y ( ):    y teniendo en cuenta (70):      El caso no drenado (φ= 0 ; cu) se resuelve teniendo en cuenta que el criterio de rotura es ahora      La ecuación de equilibrio (15) y (74) conducen a    y por tanto     
  • 105. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  102   • Extensión de la zona plástica   El  procedimiento  para  obtener  re  se  expuso  en  el  apartado  anterior.  Teniendo  en  cuenta  que  las  tensiones elásticas en la frontera r=re (ecuación 69) han de cumplir el criterio de rotura (70) se deduce      Por equilibrio, esta tensión debe ser igual a la calculada en la zona elastoplástica (ecuación 72, para  r=re). Esta igualdad conduce al valor siguiente para re:    La presión interior que inicia la plastificación en el contorno se puede obtener a partir de (78) haciendo  re=ri directamente a partir de las expresiones elásticas para las tensiones (22) en r=ri imponiendo que se  cumpla el criterio de rotura. En ambos casos se calcula    En condiciones no drenadas (0,cu) se inicia la plastificación si    Y en un terreno puramente friccional cuando      En condiciones no drenadas, la tensión radial en la frontera r=re (cálculo elastoplástico) viene dada por  la expresión (76a), que ahora debe ser igual a la (77):      Lo que permite obtener la posición de la frontera elastoplástica      En el caso puramente friccional, a partir de (78) se calcula     
  • 106. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  103 Utilizando  las  expresiones  para  la  zona  elástica  (65),  con  σre  y  re  dadas  por  (77)  y  (83)  y  las  correspondientes a la zona elastoplástica (ecuaciones 76), se ha dibujado en la Fig. 74 la distribución de  tensiones en función del radio para los mismos casos representados en la Fig. 69.     La comparación de ambas figuras revela que el alcance de la plasticidad es mucho más reducido en el  caso esférico. En la Fig. 75 se comparan las distribuciones de tensiones en los casos esférico y cilíndrico en  deformación  plana,  en  ausencia  de  sostenimiento,  para  mostrar  claramente  la  diferencia  entre  ambas  soluciones.    Figura 74. Distribución de tensiones en función del radio    • Deformaciones y desplazamientos. Curva característica   Análogamente a lo expuesto en el apartado anterior, se obtiene la ecuación que describe la distribución  de corrimientos en la zona elastoplástica que es equivalente a la (58):    con la salvedad de que ahora   (ver ecuaciones 66). La solución de (85) con la condición de  contorno   en   es:    Las deformaciones máximas   se calculan a partir de (66) para   teniendo en cuenta (77). Se  obtiene finalmente    con re dado por (78), expresión que permite obtener la curva característica en el caso esférico haciendo  r=ri. Como caso particular, en condiciones no drenadas se obtiene: 
  • 107. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  104   con re dado por (83). En definitiva      Figura 75. Comparación entre las distribuciones de tensiones en los casos esférico y cilíndrico en deformación plana, en  ausencia de sostenimiento.  Esta  expresión,  cuando  ,  unida  a  la  expresión  elástica  (26),  cuando  ,  permiten obtener la curva característica completa en el caso esférico. En la figura 72 se ha dibujado esta  curva para el caso  . Allí se compara con la curva característica equivalente obtenida en el caso  cilíndrico con deformación plana.    Figura 76. Extensión aproximada de la corona de plastificación en una sección longitudinal de un túnel para los casos  indicados 
  • 108. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  105 Se aprecia claramente la mejor capacidad de la forma esférica para resistir la disminución de presión  interior.  Si  las  condiciones  del  frente  se  asimilan  en  primera  aproximación  a  una  cavidad  esférica,  este  resultado  explica  que  los  frentes  sean  más  estables  que  el  túnel  propiamente  dicho.  Utilizando  las  expresiones  (49)  y  (83)  para  el  radio  de  la  zona  plástica  en  condiciones  cilíndricas  y  esféricas  respectivamente,  en  la  Fig.  76  se  ha  representado  de  forma  aproximada  la  extensión  aproximada  de  la  corona de plastificación en una sección longitudinal de un túnel para los casos   y  .    6.2.5.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Hoek‐Brown   Este caso se resuelve de nuevo con referencia a la geometría y condiciones de contorno indicados en la  Fig. 8. La solución elástica para r>re desarrollada en el apartado 2.3. sigue siendo válida aquí.    • Zona elastoplástica ri>r>re     El criterio de rotura de Hoek‐Brown se escribe    donde m y s son parámetros relacionados con el grado de fracturación, litología y estructura de la roca  y σc es su resistencia a compresión simple. En materiales arcillosos saturados, en condiciones no drenadas  σc=2cu.    Se  supondrá  que  una  vez  alcanzada  la  tensión  desviadora  máxima  (pico)  el  terreno  sufre  un  reblandecimiento brusco hasta alcanzar condiciones residuales. Este comportamiento se ha representado  en la Fig. 77c. De este modo se definen dos criterios de rotura, para condiciones de pico y residuales, con  parámetros distintos. Teniendo en cuenta que σ1≡σθ y σ3≡σr estos criterios se escriben    Con referencia a la Fig. 69, la roca alcanzará su condición límite de pico en r=re, lado elástico. El estado  de  tensiones  en  ese  punto  (σθ,  σr)  corresponde  a  las  condiciones  de  pico  mientras  que  en  esa  misma  frontera,  lado  elastoplástico,  la  roca  se  habrá  degradado  instantáneamente  hasta  sus  condiciones  residuales ( ),donde ahora (σθ, σr ) satisfacen la condición (92).    Las condiciones de rotura de la roca se caracterizan por tanto por los cinco parámetros que aparecen  en (92) y (93): m,s,mr,sr,σc    Se supondrá, por último, una ley de plasticidad asociada de forma que el potencial plástico para las  deformaciones  irreversibles  corresponda  a  las  condiciones  de  pico  (91).  Esta  asociatividad  se  ha  representado gráficamente en la Fig. 77a y b.    En la zona elastoplástica (II) la ecuación de equilibrio (2) unida al criterio de rotura (91) conduce a la  ecuación diferencial 
  • 109. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  106     Figura 77. Ley de plasticidad  que integrando entre   y   permite obtener las tensiones radiales:    La tensión σθ se puede obtener a partir de (92).    Con el fin de obtener la tensión radial en r=re (σr=σre) se impone la condición de que en este límite las  tensiones elásticas dadas por (28) deben satisfacer el criterio de rotura de pico (91). Esta condición permite  obtener    donde el parámetro M viene dado por     
  • 110. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  107 El radio de la zona plástica se obtiene de nuevo imponiendo el equilibrio de tensiones radiales a un lado  y a otro de la frontera r=re. Igualando σr de (94) (con r=re) y (95) se obtiene    Con      La  plastificación  se  inicia  en  el  contorno  del  túnel  para  un  valor  de  pi  que  conduzca  a  que  rc=ri.  Imponiendo esta condición en (96a) se obtiene    que se deduce también si se especifica que las tensiones elásticas para rc=ri (10) satisfacen la condición  de pico (91).     • Deformaciones y desplazamientos. Curva característica   Se aplicará el procedimiento expuesto en el Apartado 2.3. Las deformaciones elásticas máximas dadas  por (54), si se tiene en cuenta (95a) vienen dadas por      La ley de fluencia plástica (91) permiten obtener las componentes plásticas de la deformación:    donde es f un parámetro que controla el valor relativo de las componentes de la deformación plástica:    A partir de (53a), teniendo en cuenta (100) y (98) se obtienen la siguiente ecuación diferencial para el  corrimiento u:    donde f depende de forma no lineal con σr que a su vez es función de r (ecuación (94)). En la hipótesis  de que f sea constante (por ejemplo, el valor medio en la zona elastoplástica), la ecuación diferencial (101)  admite solución analítica:   
  • 111. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  108 La curva característica, una vez plastificada la pared del túnel ( ), será    que se ha de completar con el tramo elástico, dado por (14):    siempre que  .    Las ecuaciones (103) y (104) definen, de forma aproximada, la curva característica asociada al criterio  de Hoek‐Brown en las hipótesis de plasticidad asociada y transición brusca (sin deformación adicional) del  estado de pico al residual. Mediante integración numérica de (101) se puede obtener una solución que  reconozca el carácter no constante de f.  6.2.6.‐ Comentarios finales   Las curvas características determinadas no tienen en consideración el gradiente de tensiones que la  gravedad  introduce  en  el  entorno  del  túnel.  Por  ello  no  se  respetan  estrictamente  las  condiciones  de  equilibrio  (en  ecuaciones  como  (2)  no  aparecen  las  fuerzas  de  masa).  Con  el  fin  de  paliar  los  errores  derivados,  se  ha  propuesto  que  la  curva  característica  correspondiente  a  la  bóveda  se  modifique,  descontando  de  el  peso  del  anillo  plastificado  al  que,  de  esta  forma,  no  se  le  reconoce  capacidad  de  resistencia al corte. De manera simétrica se puede pensar que la contrabóveda se ve beneficiada por un  beso estabilizador de la misma intensidad (Fig. 17). Este peso es simplemente    y comienza a ‘actuar’ a partir del momento en que comienza la plastificación del terreno. Las curvas  características obtenidas en los apartados anteriores se pueden considerar representativas de los hastiales  del túnel.    Figura 78. Representación de las curvas características en bóveda, contrabóveda y hastiales 
  • 112. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  109 6.3.‐ Determinación de la curva de confinamiento (o curva de sostenimiento)   6.3.1.‐ Introducción   Consideremos un revestimiento continuo elástico de radio ri y espesor, e, pequeño comparado con ri y  sometido  a  una  presión  uniforme  en  el  contorno,  de  intensidad  pi.  La  carga  T  que  soporta  el  anillo  se  obtiene fácilmente, por equilibrio (Fig. 79).    La deformación circunferencial del revestimiento será    donde  ,  que  tiene  las  dimensiones  de  un  módulo  de  deformación,  reune  propiedades  del  material  del  revestimiento  (su  módulo  E)  y  geométricas  (e,  ri)  y  puede  considerarse  la  rigidez  del  revestimiento (Fig. 80). Una vez conocida, es una simple operación determinar la convergencia relativa   y  por tanto obtener la curva de confinamiento.    La expresión anterior se puede generalizar a los tipos de sostenimiento y revestimiento generalmente  utilizados en la construcción de túneles: anillos de hormigón de espesor finito (hormigonados ‘in situ’ o  bien  materializados  mediante  hormigón  proyectado),  revestimientos  prefabricados  por  dovelas,  cerchas  metálicas,  bulones,...  En  los  apartados  siguientes  se  dan  algunas  expresiones  de  k.  Por  otra  parte  el  revestimiento  puede  alcanzar  una  carga  de  rotura  pmax.  En  definitiva  la  curva  de  sostenimiento  se  determina si se conoce k, pmax y la convergencia previa a su instalación ud.     Si actúan varios tipos de revestimiento simultáneamente con kj rigideces diferentes, cada uno de ellos  responderá a la deformación común εθ con una presión de sostenimiento      La carga total de sostenimiento será   
  • 113. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  110   Figura 79. Carga T que soporta el revestimiento        Figura 80. Rigidez del revestimiento  Es  decir,  siempre  que  actúen  simultáneamente  a  la  rigidez  conjunta  es  la  suma  de  las  rigideces  individuales.    Figura 81. Actuación conjunta de distintos tipos de sostenimiento 
  • 114. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  111 Si los sostenimientos actúan en tiempos o distancias al frente diferentes como es el caso representado  en la Fig. 81, su composición debe tener en cuenta este hecho, como allí se indica.    6.3.2.‐ Revestimiento anular de hormigón   Si su espesor es tc y el radio interior R, su rigidez es    y la carga máxima    Ec,  υc  y  c* σ  son  el  módulo,  coeficiente  de  Poisson  y  resistencia  a  compresión  simple  del  anillo  (habitualmente hormigón).    En general, el armado que se introduce conjuntamente con el hormigón proyectado prácticamente no  cambia su rigidez (su papel es asegurar la continuidad de la protección y evitar fisuraciones locales). Si se  trata de dovelas prefabricadas se ha de tener en cuenta la reducción de rigidez asociada a las juntas. Estas  se  pueden  suponer  representadas  por  zonas  de  menor  espesor  (Fig.  21).  Se  define  un  módulo  Ec  equivalente (utilizable en la expresión 110).    donde α y β se definen en la figura 21. En general β es pequeño (≈10‐3 ) por lo que la rigidez de un  revestimiento por dovelas no se ve prácticamente alterado por la presencia de juntas.    6.3.3.‐ Cerchas metálicas   Teniendo en cuenta la geometría definida en la Fig. 82, la rigidez, Ks, y la carga máxima ps  max están  dadas por:      donde : Es: módulo elástico del material de los bloques de apoyo; ω: anchura de cada bloque y As:  sección de la cercha; Is: momento de inercia; S: espaciamiento entre cerchas en dirección longitudinal 
  • 115. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  112   Figura 82. Dovelas y juntas    donde X es el canto de las cerchas y σsy la resistencia a tracción del acero. La rigidez de un sistema de  cerchas depende mucho de las características del material de acuñado (madera todavía en muchos casos o  acero en general).    6.3.4.‐ Bulones   Los bulones no inyectados, es decir, los anclados entre dos puntos con longitud libre l (Fig. 23), son  elementos  relativamente  flexibles.  Movimientos  locales,  por  ejemplo  asociados  a  una  fisura  E,  son  absorbidos por una deformación uniforme del bulón a lo largo de su longitud libre. Por el contrario, un  bulón  inyectado  en  esta  misma  situación  reaccionaría  con  mucha  mayor  rigidez,  deformándose  en  una  pequeña longitud en el entorno de la fisura.    En un bulón inyectado es fácil calcular la relación entre alargamiento (Δu) y carga T. En efecto    donde db es el diámetro del bulón y E su módulo elástico. Si los bulones se colocan con espaciamientos  sl (dirección longitudinal) y st (dirección transversal) su presión equivalente peq  es   
  • 116. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  113   Figura 83. Cerchas    Figura 84. Bulones  Si definimos un módulo de rigidez asociado a los bulones como  , se obtiene, a partir de (115) y  (116):    En la práctica los bulones son más deformables debido a movimientos y reajustes de la zona de anclaje  y de la placa de apoyo. Hoek‐Brown modifican (117) de forma que:    y dan valores de Q a partir de ensayos de carga. 
  • 117. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  114   La carga máxima se suele obtener también en ensayos de carga llevados hasta rotura Trot:    Hoek‐Brown citan los valores    En la mayoría de los casos citados el anclaje se conseguía mediante mecanismos de expansión.     Los bulones inyectados refuerzan el macizo rocoso lo que se traduce en un incremento de su módulo  de deformación, que se hace anisótropo y en cambio en sus parámetros de rotura, que también variarán  con la dirección en cada punto. El problema se complica y afecta a las hipótesis de partida del método de  convergencia‐confinamiento. En la práctica la utilización de bulones inyectados se puede reflejar en una  mejora de las propiedades resistentes de la roca (por ejemplo los parámetros m y s del criterio de Hoek‐ Brown).     Un  cálculo  de  la  rigidez  de  los  sistemas  de  sostenimiento  normalmente  empleados  revela  que  los  bulones tienden a ser uno o dos órdenes de magnitud más flexibles que los revestimientos continuos. La  máxima rigidez se logra con anillos de hormigón moldeados ‘in situ’.    6.4.‐  Determinación  de  la  deformación  previa  a  la  instalación  del  sostenimiento.  Utilización del método de convergencia‐confinamiento     El problema de la determinación de requiere la solución del problema tridimensional asociado al frente  y  por  tanto  no  puede  ser  resuelto  dentro  del  conjunto  de  hipótesis  simplificadas  del  método  de  convergencia‐confinamiento. En la práctica se ha recurrido a realizar estudios de sensibilidad, utilizando  métodos de elementos finitos con el fin de encontrar leyes simples que relacionen la convergencia con la  distancia al frente. Estudios de este tipo han sido realizados por Panet y Guénot (1982); Bernand y Rousset  (1992), Nguyen Minh y Guo 81993). Du    6.4.1.‐ Macizo En Régimen Elástico. Túnel Sin Revestir   Si se conociera la función   
  • 118. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  115 El desplazamiento u a distancia d se escribiría    Se ha propuesto (Panet, 1995), a partir de análisis elásticos por elementos finitos:    donde m es una constante que puede tomarse igual a 0.8.     En régimen elástico y túnel cilíndrico en deformación plana, ui(∞) se determinó previamente (ecuación  (14)):    puesto  que  en  el  túnel  no  revestido  pi=0.  Los  análisis  numéricos  muestran  que  conm  buena  aproximación, el frente se deforma radialmente un 27% del valor correspondiente al caso bidimensional:    La función a(x) se representa en la Fig. 85.    6.4.2.‐ Macizo en régimen elastoplástico. Túnel sin revestir   Se puede mantener la aproximación anterior y en concreto la forma de la presión a(x) introduciendo un  factor de corrección ζ:    donde ζ es la relación entre la convergencia elástica (2D), dada por (123) y la ley que se obtiene en el  análisis elastoplástico (por ejemplo, expresión (61) para modelo de Mohr‐Coulomb)    Esta expresión se usaría de nuevo para buscar ud.    Figura 85. Representación de a(x)  6.4.3.‐ Túnel revestido   Es lógico que la presencia del revestimiento con su rigidez asociada controle (disminuyendo) los valores  de  u(x)  que  se  calculan  para  túnel  no  revestido.  El  valor  de  dependerá  de  la  distancia  al  frente,  de  las 
  • 119. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  116 propiedades  del  macizo  rocoso  (en  principio  sintetizadas  en  la  curva  característica)  y  de  la  rigidez  del  revestimiento.  Esta  última  se  puede  expresar  ventajosamente  de  forma  relativa  a  la  rigidez  elástica  del  terreno kn=k/G.   Como alternativa a ud y a fin de incorporar la propia curva característica del terreno, el valor de ud  puede quedar definido por la presión pi equivalente correspondiente a ud, denominada en la Fig. 25.    Figura 86. Obtención del ud a partir de la curva característica del túnel  A partir de estudios paramétricos, utilizando leyes elastoplásticas y variando la rigidez relativa Kn, N.  Minh y Guo (1993) han publicado la Tabla 4 que relaciona pd con la distancia relativa al frente y la rigidez  relativa kn. Esta tabla permite la obtención de ud a partir de la curva característica y de conocer la posición  de ka curva de confinamiento del revestimiento.  Tabla 4. Relación entre pd/p0 y kn    La presión y convergencia de equilibrio se obtienen mediante intersección de las curvas CC y CF (Fig.  63). Por ejemplo si la curva característica es la elástica correspondiente a túnel circular (ecuación 14) se  obtiene: 
  • 120. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  117   En el caso esférico se calcula    Cuando se inicia el régimen elastoplástico el punto de intersección de las curvas CC y CF es solución de  una ecuación no lineal que puede resolverse por un procedimiento iterativo.     No  se  dan  criterios  para  definir  los  valores  de  peq  y  ueq.  En  el  NATM  se  alcanza  la  convergencia  de  equilibrio y el sostenimiento a aplicar tras un proceso de observaciones en el tiempo y la aplicación flexible  del  sostenimiento.  Interesa  en  general  conseguir  que  las  curvas  convergencia‐tiempo  tiendan  asintóticamente al equilibrio. Las aceleraciones inesperadas de los movimientos desencadenan en general  el refuerzo del sostenimiento. Interesa, por un lado, que la roca no trabaje  exclusivamente en régimen  elástico (por antieconómico) ni que se alcancen plastificaciones excesivas con espesores de plastificación  superiores al radio del túnel, que degraden en exceso la roca, lo que supone un ‘cambio’ de material y unas  convergencias altas. En rocas de calidad buena y media las convergencias no suelen superar algunos mm.  Son  comunes  en  rocas  de  peor  calidad  convergencias  del  orden  de  centímetros.  Convergencias  de  decímetros son ya excesivas.                           
  • 121. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  118 7.‐ DRENAJE E IMPERMEABILIZACIÓN DURANTE LA CONSTRUCCIÓN Y  EXPLOTACIÓN DE TÚNELES  7.1.‐ Aspectos generales. Importancia del agua   La experiencia indica que una gran parte de las dificultades importantes que surgen en la construcción  de túneles está directa o indirectamente relacionada con el agua. El reconocimiento previo al proyecto y  construcción debe intentar definir las circunstancias adversas en relación con el agua. Se ha criticado (Fig.  87) la importancia desmesurada que se otorga en informes previos a la descripción de las circunstancias  geológicas  en  detrimento  de  otra  información  fundamental  para  la  construcción  de  un  túnel.  La  información que proporcione el reconocimiento debe ser interpretada y transformada en recomendaciones  y propuestas concretas en relación con la construcción del túnel. La acumulación de datos por sí misma  tiende a ser irrelevante.    Figura 87.  Relación de informes dedicados a distintos ámbitos (Muir Wood & Kirkland, 1985)  La excavación reciente de algunas cavernas de almacenamiento de productos petrolíferos bajo el nivel  freático,  en  presencia  de  fracturas  en  el  macizo  rocoso  (Tabla  5)  muestra  el  importante  incremento  de  coste de excavación asignable a la presencia de agua. En uno de los casos indicados en la Tabla 5 (esquema  de Vexin en Francia) las dificultades que originaron un sistema de fracturas en el macizo de creta donde se  excavaron los diferentes túneles tuvieron una repercusión económica muy fuerte. Se da la circunstancia de  que  este  proyecto  contó  con  una  abundante  investigación  previa  de  carácter  geomecánico  que  fue  aparentemente  incapaz  de  detectar  el  riesgo  asociado  al  sistema  de  fracturas  saturadas  de  agua.  Se 
  • 122. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  119 concluye, en relación con los tres casos mencionados en la Tabla 5 que es conveniente disponer en obra,  siempre listos, equipos de bombeo e inyección de la suficiente capacidad.  Tabla 5. Problemas asociados al agua en algunas cavernas de almacenamiento (G. Jansson, 1979)    Para el caso de Vexin, se realizaron numerosas investigaciones previas:   • Pozo vertical de reconocimiento 150 m, 3 m2 .   • Varias galerías de reconocimiento (la mayor de 50 m de longitud y 50 m2  de sección) perforadas en  roca homogénea e impermeable.   • Abundantes ensayos in situ.   • Sistema regional de fracturas con agua abundante.    La heterogeneidad del medio geológico impone dificultades al reconocimiento previo. Ello se ilustra en  las Fig 88 y 89. En la Fig. 88 se ilustra la variabilidad esperable en terrenos aluviales a partir de los datos  proporcionados por la excavación de un túnel en gravas del Támesis. En la Fig. 89 aparece una propuesta de  tipo de reconocimiento cuando la variabilidad estratigráfica es notable. 
  • 123. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  120   Figura 88. Variabilidad de terrenos aluviales (Juvann et al, 1985)    Figura 88. Variabilidad de terrenos aluviales (Juvann et al, 1985) (Cont.) 
  • 124. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  121   Figura 89. Disposición de sondeos (Dodds, 1982)  7.2.‐ Flujo de agua hacia un túnel  Los túneles, revestidos o no, tienden a actuar como drenes permanentes en el terreno (Ward y Pender,  1981). Los datos recogidos en la Fig. 5 muestran la importancia de la filtración hacia túneles en la red de  ferrocarriles  de  Japón.  No  se  detectan  diferencias  notables  entre  litologías  (a  excepción  quizá  de  los  terrenos  volcánicos)  y  se  advierte  el  notable  incremento  de  caudales  filtrados  que  suponen  las  zonas  fracturadas debido al aumento de permeabilidad. La filtración hacia los túneles tiende a disminuir con el  tiempo  (Fig.  90,  91)  seguramente  como  consecuencia  de  rebajamientos  permanentes  progresivos  de  niveles piezométricos. Algunas excepciones (incremento de caudales) pueden estar asociadas al lavado de  juntas y pérdida de finos en las inmediaciones de los túneles donde los gradientes tienden a ser altos. 
  • 125. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  122     Figura 90 a y b. Filtración recogida por los túneles de la red de FF.CC. de Japón (Ishizaki,1979)  Existe un número limitado de expresiones analíticas para el cálculo de caudales filtrados hacia túneles.  Algunas se han indicado en las Fig. 91, 92, y 93. Más información aparece en Custodio y Llamas (1976). En  general las soluciones analíticas cubren un número escaso de situaciones. El rebajamiento de los niveles  piezométricos con superficies de saturación variables en el tiempo plantea las mayores dificultades. Una  valoración de los métodos numéricos disponibles para analizar los problemas de filtración con superficie  libre ha sido hecha recientemente por Gioda y Desideri (1988). 
  • 126. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  123   Figura 91. Cálculo de caudales filtrados hacia túneles 
  • 127. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  124   Figura 92. Cálculo de caudales filtrados hacia túneles 
  • 128. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  125   Figura 93. Filtraciones hacia túneles en el metro de Estocolmo (Brune et al, 1980)  Un  parámetro  fundamental  y  de  difícil  determinación  para  la  obtención  de  caudales  es  la  permeabilidad  del  terreno.  En  medios  fracturados  se  han  utilizado  con  frecuencia  técnicas  de  homogeneización con el fin de obtener permeabilidades equivalentes de medio continuo. Una alternativa  es  la  simulación  de  las  familias  de  discontinuidades  presentes  (Fig.  94  a)  y  a  partir  de  sus  conexiones  hidráulicas  (Fig.  94  b)  resolver  el  problema  de  flujo  hacia  un  túnel  excavado  en  un  macizo  rocoso  así  generado. Un análisis de este tipo (Fig. 94 c) muestra que el caudal medio hacia el túnel crece con su radio,  aproximadamente en la misma proporción que crece la frecuencia de intersecciones con fracturas activas  hidráulicamente. Este análisis muestra también que el coeficiente de variación de los caudales calculados  disminuye con el tamaño del túnel, lo que refleja un efecto promedio en túneles de mayor tamaño (Fig. 94  c). 
  • 129. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  126   Figura 94. Predicción de caudales infiltrados a través    7.3.‐ Efecto de flujo sobre las condiciones mecánicas de los túneles   Una parte de la carga que el terreno, en presencia de agua en filtración, ejerce sobre el revestimiento  de un túnel lo constituye la distribución de presiones de agua sobre el mismo. La distribución de presiones  de agua sobre un revestimiento impermeable puede calcularse fácilmente a partir de una red de corriente. 
  • 130. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  127 En el caso concreto de las Figs. 95 y 96 se ilustra el efecto que sobre las presiones de agua ejercidas sobre el  revestimiento de un túnel, tiene la mayor o menor proximidad de un túnel de drenaje.    Figura 95. Red de corriente con proximidad de un túnel de drenaje (Oteo, 1982) 
  • 131. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  128   Figura 96. Empujes del agua en el revestimiento de un túnel con túnel de drenaje (Oteo, 1982)  Las tensiones totales sobre el revestimiento han de calcularse sin embargo como suma de las tensiones  efectivas y de las presiones de agua. En presencia de filtración, a las fuerzas de masa habituales (peso) ha  de añadirse una fuerza proporcional al gradiente. Con las hipótesis que aparecen en la Fig. 97, Atkinson y  Mair (1983) publicaron un análisis simplificado de las cargas totales sobre el revestimiento de un túnel en  los casos extremos de agua en reposo (túnel estanco) (Fig. 98 a) y flujo estacionario hacia el túnel (que  mantiene en su periferia una presión nula de agua, es decir un túnel drenado) (Fig. 98 b). En este análisis se 
  • 132. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  129 llega la conclusión de que en ambos casos las cargas son iguales. Este resultado puede ser explicado de  forma muy sencilla: las fuerzas de masa inducidas por la filtración (en el caso de túnel drenado) equivalen a  la presión hidrostática de agua (en el caso de túnel estanco). Una consecuencia de este análisis es que no se  reduce la carga sobre un revestimiento por hacerle drenante.    Figura 97. Cargas sobre el revestimiento originadas por el agua (Atkinson & Mair,1983)  El análisis indicado en las Fig. 97 y 98 prescinde de la deformación del terreno. Si éste alcanza su rotura  y si interesan además (como es necesario a efectos prácticos) la relación entre deformación del túnel y  presión  de  revestimiento,  el  análisis  anterior  debe  ser  modificado.  Incluso  en  el  supuesto  de  que  la  permeabilidad del terreno sea constante y no afectada por la deformación, la distribución de gradientes no  es uniforme. De hecho estos tienden a concentrarse en las inmediaciones del túnel y por ello esta zona, al  recibir más fuerzas de masa, tenderá a deformarse más que zonas alejadas de la excavación. Por otra parte  las inmediaciones de la excavación son las más tensionadas y en ellas se desarrollan lógicamente las zonas  plásticas.  Por  ello  es  de  suponer  que,  en  terrenos  que  alcancen  la  rotura,  las  condiciones  de  filtración  modifiquen la extensión de las zonas plásticas y en consecuencia modifiquen las relaciones sostenimiento‐ deformación (curvas características del túnel) que tanto dependen del grado de plastificación del terreno  en las inmediaciones del túnel.    Si el terreno permanece en régimen elástico, es menos obvio que la filtración haga cambiar de forma  importante  los  resultados  de  Atkinson  y  Mair  aunque  el  cambio  de  hipótesis  que  introduce  un  análisis  elástico con relación a las indicadas en la Fig. 97 lógicamente ha de tener algún efecto. 
  • 133. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  130   Figura 98. Cargas sobre el revestimiento originadas por el agua (Atkinson & Mair,1983)  El análisis de la influencia de la filtración en el comportamiento mecánico del túnel puede abordarse  mediante  técnicas  numéricas  que  resuelvan  el  problema  acoplado  flujo‐deformación.  Más  útiles  son  probablemente  los  planteamientos  analíticos  y  semianalíticos  aunque  deban  introducir  hipótesis  simplificadoras  con  relación  al  comportamiento  de  los  materiales,  al  grado  de  acoplamiento  flujo‐ deformación y a la simetría del problema. Las hipótesis que se introducen en dos aportaciones recientes a  este problema (Jiménez Salas, 1981; Jiménez Salas y Serrano, 1984 y Lembo Fazio y Ribacchi, 1984) se han  resumido en la Fig. 99 y la Tabla 6. Algunos aspectos de la solución obtenida por estos autores se presentan  a continuación.    Figura 99. Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel    Tabla 6. Influencia de la filtración sobre el comportamiento del túnel 
  • 134. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  131     Si el terreno se mantiene en régimen elástico las tensiones en el contorno del túnel y el desplazamiento  radial  del  mismo,  en  el  caso  de  existir  un  flujo  hacia  el  túnel  son  prácticamente  idénticos  a  la  solución  clásica en tensiones totales (Fig. 100).    Figura 100. Análisis elástico con flujo  Sin embargo (Fig . 101 y siguientes), si existe un anillo de plastificación en torno al túnel, la influencia  del régimen de filtración puede ser importante. En la Fig. 101 se han resumido las condiciones y criterios  necesarios para obtener la solución, criterios que coinciden básicamente con los clásicos establecidos por  muchos investigadores para el análisis elastoplástico del problema axisimétrico de un túnel en deformación  plana (una referencia a todas estas contribuciones desde el año 1938 aparece en Brown et al, 1983). En la  misma figura se ha indicado una expresión (Lembo Fazio i Ribacchi, 1984) para el radio adimensional de la  zona plástica cuando existe filtración (en ausencia de tensiones en el contorno del túnel). El efecto del agua 
  • 135. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  132 en filtración se contabiliza en un término h que representa el gradiente en la zona inmediata al túnel y en la  expresión para la tensión de confinamiento, σ0, en la que aparece la presión de agua en la transición de  zonas  elástica  y  plástica.  El  término  de  gradiente  h  se  descuenta  del  término  fr  que  es  un  parámetro  proporcional a la cohesión del terreno. Su efecto es por tanto negativo y tiende a restar cohesión a la roca.     Hemos de esperar por consiguiente que todos aquellos factores que tiendan a incrementar el gradiente  de agua en las proximidades del túnel, incrementarán el tamaño de la zona plástica. La propia rotura del  terreno, sin embargo, tiende a disminuir el gradiente de agua en la zona plástica (efecto beneficioso) pues  la rotura va acompañada a fenómenos de dilatancia (mayor permebilidad) y a una mayor fracturación del  terreno. Por esta razón, el cociente entre las permeabilidades del terreno en régimen elástico y en rotura  será un número variable entre 1 y 0. La distribución de presiones de agua correspondiente a diferentes  valores de esta razón aparece en la Fig. 102 a. En el caso límite (aumento fuerte de la permeabilidad del  terreno tras la rotura) la zona plástica estará libre de presiones de agua.    Figura 101 a. Análisis elastoplástico con flujo    Figura 101 b. Extensión de zona plástica  El  efecto  de  estas  consideraciones  en  las  curvas  características  del  túnel  aparece  en  las  Figs.  102  a  (utilizando un criterio de rotura del terreno tipo Mohr‐Coulomb) o en la Fig. 102 b (criterio Hoek‐Brown). En  ambas  figuras  se  compara  la  curva  característica  en  ausencia  de  filtración  con  la  resultante  de  utilizar  diferentes hipótesis de distribución de permeabilidades. En general, si la zona plástica está drenada, las  curvas  características  mejoran  con  relación  a  la  solución  en  ausencia  de  agua.  Una  filtración  con  permeabilidad homogénea (y con mayor razón si la zona plástica adquiere una permeabilidad más pequeña  – como sería el caso de una inyección en la misma ‐) empeora la situación. En la Fig. 102 d aparecen los 
  • 136. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  133 desplazamientos en el contorno del túnel y la distribución de tensiones radiales y circunferenciales para dos  hipótesis de distribución de permeabilidad y para el caso seco (clásico) (p0 = 0).    Figura 102 a. (Rembo Faccio y Ribacchi, 1984)    Figura 103 b y c. (Rembo Faccio y Ribacchi, 1984)      Figura 104 d y e. (Rembo Faccio y Ribacchi, 1984)  Algunos resultados del análisis de Jiménez Salas y Serrano (1984) se han recogido en la Fig. 103. En la  Fig. 103 a se observa como disminuye el radio de la zona plástica a medida que aumenta la permeabilidad  de la zona plástica y se aleja el contorno exterior en el que se fija la presión de agua p0. Ambas situaciones  contribuyen a disminuir el gradiente de filtración en las inmediaciones de la pared del túnel. El efecto de la  presión  interior  del  agua  (sobre  el  contorno  de  la  excavación)  en  el  desarrollo  de  la  zona  plástica  está  indicado en la Fig. 103b para dos valores de cohesión y ángulo de fricción del terreno. 
  • 137. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  134   Figura 105 a y b. (Jiménez Salas y Serrano, 1984)  La discusión anterior se puede resumir en unas conclusiones que se han indicado en la Fig. 106.     Figura 106. Conclusiones.    En  la  Fig.  107  se  han  dibujado  unos  cuantos  esquemas  de  posibilidades  alternativas  de  drenaje  e  inyección de un túnel que se interpretan con ayuda de los conceptos establecidos. En todos los esquemas  se ha indicado (zona rayada) la extensión del anillo de plastificación entorno al túnel, siempre de forma  cualitativa. La Fig. 107 a (túnel sin drenaje y sin inyección) puede tomarse como figura la referencia. El  drenaje en el propio túnel (Fig. 107) incrementa la extensión de la zona plástica lo que se ha de traducir en  unas  mayores  necesidades  de  sostenimiento.  Una  combinación  óptima  desde  el  punto  de  vista  de  la  estabilidad  del  túnel  está  indicada  en  la  Fig.  107  c.  El  drenaje  es  exterior  a  la  zona  inyectada.  De  esta  manera se eliminan los gradientes en las inmediaciones del túnel y esta zona tiene además la resistencia  adicional  proporcionada  por  la  inyección.  Un  aspecto  negativo  de  esta  solución  en  terrenos  de  alta  permeabilidad es la necesidad de evacuar caudales importantes procedentes del drenaje.     Dos situaciones que pueden darse si, además de inyectar las inmediaciones del túnel, se drena en su  contorno, se han indicado en las Figs. 107 d y 107 e. En estos casos la situación del drenaje en el propio  túnel,  contribuye  a  incrementar  los  gradientes  con  relación  a  la  Fig.  107  c.  Además,  la  pérdida  de 
  • 138. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  135 permeabilidad  asociada  a  la  inyección  contribuye  a  incrementar  también  los  gradientes  en  las  inmediaciones  del  túnel.  La  extensión  de  la  zona  plástica  dependerá  del  peso  relativo  que  tengan  la  disminución  de  permeabilidad  originada  por  la  inyección  y  el  incremento  de  la  resistencia  de  la  zona  tratada. En la Fig. 107 d se indica la situación correspondiente a un predominio de los efectos de mejora  resistente de la inyección. En este caso la zona plástica es reducida y queda confinada dentro del terreno  inyectado. La solución es satisfactoria y además los caudales a evacuar serán pequeños.    Sin embargo, si predominan los efectos negativos de reducción de la permeabilidad o la zona tratada  por la inyección es pequeña, la corona plástica puede afectar a toda la zona de inyección y se alcanza una  situación pésima en cuanto a condiciones de estabilidad. Por último (Fig. 107 f) si se inyecta el terreno y se  evita  todo  drenaje  (condición  que  puede  ser  difícil  de  asegurar,  sobre  todo  en  los  frentes  y  en  sus  proximidades) la zona plástica adquirirá un pequeño desarrollo y las necesidades de sostenimiento serán  asimismo reducidas (pero habrá, lógicamente, que considerar la presión de agua sobre el revestimiento).      Figura 107. Alternativas de drenaje e inyección de un túnel 
  • 139. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  136     
  • 140. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  137   Figura 108. Alternativas de drenaje e inyección de un túnel (Continuación)  La excavación de un túnel provoca fenómenos acoplados de deformación y flujo más complejos que los  expuestos hasta ahora. Es ilustrativa a este respecto la Fig. 108 que muestra los movimientos (Fig. 108 b, c)  y  presiones  intersticiales  (Fig.  108  d)  originadas  por  la  excavación  de  un  túnel  mediante  escudo  y  aire  comprimido en arcilla aluvial (Fig. 108 a). Parte de los movimientos observados (en superficie) por efecto  de  la  excavación  corresponden  a  condiciones  no  drenadas  (antes  de  eliminar  la  presión  del  aire)  y  fenómenos  drenados  a  continuación  (con  la  consiguiente  extensión  y  profundización  (Fig.  108  a)  de  la  “cubeta” de asientos en superficie). En otras modalidades de perforación es más difícil separar ambos tipos  de  deformación  y  en  general  la  construcción  del  túnel  desencadena  un  proceso  acoplado  flujo‐ deformación.     
  • 141. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  138   Figura 109. Asiento no drenado y por consolidación (arcilla aluvial). (Glassop + Fermer, 1975)  Se han descrito procedimientos de análisis rigurosos flujo‐deformación de la excavación de un túnel  utilizando métodos de elementos finitos. Algunos ejemplos se han reunido en las Figs. 110 y 111.   
  • 142. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  139   Figura 110. Cam‐clay mod + consolidación (Seneviratne + Gunn, 1985)   
  • 143. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  140     Figura 111. Sekiguchi‐Ohita + consolidación (Ohta et al, 1985; ICONMIG. Nagoya)  Recientemente  se  ha  desarrollado  también  una  solución  analítica  para  el  problema  acoplado  de  consolidación inducido por un sumidero puntual (Figs. 112 y 113). Esta solución puede ser de interés como 
  • 144. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  141 primera aproximación para evaluar los efectos de la consolidación inducida por la excavación de un túnel y  especialmente,  para  estimar  los  movimientos  inducidos  por  sistemas  de  drenaje.  En  la  Fig.  113  puede  observarse  como  se  incrementa  y  se  extienden  los  asientos  en  superficie  originados  por  un  sumidero  puntual con el transcurso del tiempo (resultados cualitativamente similares a los presentados en la Fig. 109  c)  y  asimismo  el  efecto  de  la  anisotropía  de  la  permeabilidad.  Esta  solución  teórica  puede  permitir  el  desarrollo de programas de elementos de contorno para resolver problemas con geometrías complejas.    Figura 112. Consolidación de semiespacio elástico inducida por un sumidero puntual. Permeabilidad anisotrópica (Booker +  Carter, 1987) 
  • 145. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  142   Figura 113. Asientos en superficie originados por un sumidero puntual    Figura 114. Asientos en superficie originados por un sumidero puntual (Cont.) 
  • 146. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  143 7.4.‐ Protección frente al agua durante la construcción   Es  común  la  utilización  de  inyecciones  desde  el  exterior  (Fig.  114  y  115,  en  este  último  caso  acompañada de un “paraguas” de “jet grouting”) o bien desde el interior del propio túnel. En general, en  terrenos de mala calidad saturados, se combinan procedimientos de drenaje e inyección desde el propio  túnel. Es frecuente que en circunstancias difíciles se dispongan taladros de longitud apreciable (30 m – 100  m), perforados desde el frente, para detectar presiones o caudales elevados y permitir el drenaje (Fig. 116  b). La combinación de inyecciones y drenaje que aparece en la Fig. 116  a es similar en su concepción a la  Fig. 116 c, discutida anteriormente.    Figura 115. Tratamiento de túneles en Hong‐Kong (Mc Feath Smith + Haswell, 1985)      Figura 116. Metro de Milán. Esquema de tratamiento (Tornaghi + Cippo, 1985) 
  • 147. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  144   Figura 117. Túnel Long, Congo‐Océano, A = 40 m 2  y L = 4.6 Km (Lepetit + Chapeau, 1985)  Un  caso  interesante  de  drenaje  intensivo  mediante  aplicación  de  vacío,  de  granitos  descompuestos  saturados de baja permeabilidad aparece en la Fig. 118. Este procedimiento fue la alternativa, finalmente  ejecutada, a un método por congelación inicialmente proyectado.  
  • 148. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  145     Figura 118. Drenaje en el túnel de Du Toitskloo, Sudáfrica (Bütter, 1987) 
  • 149. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  146   Los niveles piezométricos se pueden reducir también desde el exterior utilizando pozos de bombeos. En  ocasiones (Fig. 119) es necesario completar este drenaje exterior con drenajes suplementarios desde el  propio túnel.     Figura 119. Túnel de Kokubu (Tokyo). Esquema de drenaje (Fujimori et al, 1985)  En  grandes  obras  se  ha  recurrido  a  túneles  de  drenaje  auxiliares.  El  túnel  de  Seikan,  ampliamente  descrito en muchas referencias, es un ejemplo de este concepto (Fig. 120). 
  • 150. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  147   Figura 120. Túnel de Seikan (Megaw + Barlett, 1981)  7.5.‐ Protección frente al agua durante la explotación   Se emplean técnicas de drenaje y de impermeabilización. Con el drenaje se pretende además reducir a  cero la presión de agua, generalmente en el trasdós del revestimiento. Para ello el agua debe ser conducida  (drenada) y evacuada por algún procedimiento. En la Fig. 121 se ha dibujado un esquema del sistema de  drenaje  utilizado  en  algunos  túneles  de  España  (túneles  en  la  autopista  Campomanes‐León).  El  drenaje  interior de la calzada puede utilizar los mismos sistemas de evacuación que se diseñan para el drenaje del  túnel  propiamente  dicho.  En  el  caso  dibujado  el  drenaje  está  confiado  a  un  material  de  alta  porosidad  situado entre el revestimiento definitivo y el macizo rocoso o terreno, ya sostenido. La descarga del agua  recogida en el dren de gravas de base se efectúa al amparo de juntas abiertas que coinciden con juntas de  construcción. En estas juntas abiertas pueden tener origen otros sistemas adicionales de drenaje (taladros‐ dren, rozas, etc... ). 
  • 151. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  148   Figura 121. Esquema de sistema de drenaje utilizado en túneles de la autopista Campomanes‐León  En construcciones recientes, el drenaje suele ir asociado a la impermeabilización. Con frecuencia, son  láminas de PVC situadas en el extradós del revestimiento las que aseguran la estanqueidad del túnel. Estas  láminas asientan sobre mallas permeables que además de asegurar el drenaje proporcionan una adecuada  regularización  de  la  superficie  irregular  del  sostenimiento  (Fig.  122  a).  Debe  tenerse  en  cuenta  en  el  proyecto  la  pérdida  de  permeabilidad  originada  por  la  presión  ejercida  por  el  terreno  (Fig.  122  b)  y  la  influencia de precipitaciones y depósitos transportados por el agua de filtración (Fig. 122 c). Un ejemplo de  disposición de la membrana de impermeabilización se ha recogido en la Fig. 123.    No son comunes, en diferentes países, las prácticas de impermeabilización de túneles. Algunos suelen  exigir la impermeabilización integral de toda la longitud del túnel. El otros, se drena y/o impermeabiliza  determinados  tramos  con  problemas  concretos.  Tampoco  es  universal  la  impermeabilización  mediante  membrana  en  el  trasdós  del  revestimiento.  A  veces  la  impermeabilización  se  confía  a  un  revestimiento  secundario,  interior  al  revestimiento  (o  sostenimiento)  principal.  Este  revestimiento  secundario  puede  cumplir además otras funciones (incremento de luminosidad, estética). Se han reunido unos ejemplos en la  Fig. 124. 
  • 152. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  149   Figura 122. Drenaje (Malla tridimensional) e Impermeabilización (Membrana impermeable PVC); Berkhout et al, 1987 
  • 153. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  150   Figura 123. Metro de Washington. Impermeabilización (Martin, 1987) Premio ASCE para el mejor proyecto en Ingeniería  Civil, 1987   
  • 154. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  151   Figura 124. Revestimiento secundario de protección frente al agua en Noruega (Krokeborg + Pedersen, 80’s)  Si el túnel se construye mediante dovelas prefabricadas (sistema que no necesariamente se utiliza  en terrenos de baja calidad) se consigue una impermeabilización efectiva mediante materiales de sellado  comprimidos entre las juntas longitudinales y transversales de las dovelas (Fig. 125). Más recientemente se  han  utilizado  también  inyecciones  de  bentonita/cemento,  cemento  con  látex,  resinas,  en  conductos  de  sellado limitados por las propias dovelas prefabricadas (Fig.126). En estos sistemas mediante dovelas una  primera  barrera  al  paso  del  agua  lo  constituye  con  frecuencia  la  inyección  de  trasdós.  La  experiencia  demuestra sin embargo que estos túneles actúan también como drenes de los acuíferos que atraviesan.    Figura 125. Impermeabilización en túneles construidos mediante dovelas (Megaw + Bartlett, 1981) 
  • 155. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  152   Figura 126. Impermeabilización en túneles construidos mediante dovelas (Lyons, 1979)  En  la  mayoría  de  los  túneles  el  agua  drenada  es  evacuada  mediante  conductos  hacia  el  exterior  siguiendo las pendientes naturales del trazado. En otras ocasiones y singularmente en el caso de túneles  subacuáticos es necesario prever estaciones interiores de bombeo pues el trazado supone la existencia de  puntos interiores de acumulación del agua drenada.    Figura 127. Esquema de drenaje en un túnel subacuático (Bendelius, 1982)                     
  • 156. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  153 8.‐ MAQUINARIA DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  8.1.‐ Introducción  Los  túneles  se  construyen  excavando  en  el  terreno,  manualmente  o  con  máquinas.  Los  sistemas  habituales de excavación subterránea son medios mecánicos, voladuras y manual:   Perforación y voladura mediante explosivos.   Los medios mecánicos mediante minador puntual (rozadora), minador a sección completa o TBM  o tuneladora (Tunnel  Boring  Machine)  o  con  maquinaria  convencional  (martillo  picador,  excavadora...)    Figura 128. Métodos de excavación en función de la resistencia a compresión de la roca.  8.2.‐ Métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura   Los métodos de excavación de túneles mediante perforación y voladura dependen fundamentalmente  en primer lugar, del tipo de terreno a atravesar. De este modo cabe destacar por separado la excavación de  túneles en roca y la excavación de túneles en suelos o terrenos blandos. En este artículo nos centraremos  siempre a la excavación en roca, que es lo más habitual en los túneles de carretera.  Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo característico de las excavaciones  mediante perforación y voladura son las siguientes:   Replanteo en el frente del esquema de tiro.   Perforación de los taladros.   Carga de los taladros con explosivo (barrenos). 
  • 157. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  154  Voladura y ventilación.   Retirada del escombro y saneo del frente, bóveda y hastiales.  El  esquema  de  tiro  es  la  disposición  (Fig.  129)  en  el  frente  del  túnel  de  los  taladros  que  se  van  a  perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar  cada barreno, diseñándose al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empíricas  recogidas en los manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavación del túnel, se va  ajustando en función de los resultados obtenidos en cada voladura.    Figura 129. Esquema de tiro  La voladura  de  la  destroza con barrenos  horizontales,  tiene  la  ventaja  de  que  se  utiliza  el  mismo  sistema  de  trabajo  y  maquinaria  que  la  fase  de  avance,  pudiendo  recortarse  con  la  voladura  la  forma  teórica del túnel. Por otro lado, la voladura en banco es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo  menor de explosivo, y no necesita ser retirado el escombro en cada voladura, pero requiere de un recorte  posterior para conseguir el perfil del túnel en los hastiales.    Los taladros deben de tener una longitud de un 5 a 10 % superior a la distancia que se quiera avanzar  con la pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al  máximo la longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas entre 1 y 4 metros  y se fijan en función de la calidad de la roca, cuanto mejor es la calidad del terreno, mayores serán los  avances posibles. Con una roca de calidad media‐adecuada es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros  para avanzar entre 2,80 y 3,20 metros en cada voladura.    Para la perforación y voladura, la sección teórica del túnel se divide en zonas (Fig. 130), en las que las  exigencias,  tanto  de  densidad  de  perforación,  como  de  carga  específica  de  explosivo  y  secuencia  de  encendido son distintas. Estas zonas son:   Cuele 
  • 158. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  155  Contracuele   Destroza   Zapateras   Contorno    Figura 130. Sección teórica de un túnel para perforación y voladura  Cuele. El cuele es la fase de la voladura que dispara en primer lugar. Su finalidad es crear una primera  abertura en la roca que ofrezca al resto de las fases una superficie libre hacia la que puede escapar la roca  con lo cual se posibilita y facilita su arranque. El cuele es sin duda la más importante de todas las fases de la  voladura de un túnel en relación con el avance de la voladura.    Existen distintos tipos de cuele (Fig. 131), los cueles en V y en abanico, que facilitan la salida de la roca  hacia el exterior, pero tienen el inconveniente de que los taladros forman un ángulo con respecto al eje del  túnel,  por  lo  que  su  correcta  perforación  tiene  una  mayor  dificultad  y  exige  variar  el  esquema  de  perforación para cada longitud de avance. En túneles de secciones de excavación reducidas estos cueles no  permiten grandes avances por voladura. 
  • 159. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  156   Figura 131. Tipos de cuele  El cuele más usado por su simplicidad es el cuele paralelo. Consiste en un taladro vacío (barreno de  expansión),  sin  explosivos,  de  mayor  diámetro  que  el  resto  (de  75  a  102  mm)  y,  a  su  alrededor,  tres  o  cuatro  secciones  de  taladros  cargados  que  explotan  sucesivamente  siguiendo  una  secuencia  preestablecida.  La  misión  del  barreno  de  expansión  es  la  de  ofrecer  una  superficie  libre  que  evite  el  confinamiento de la roca de modo que facilite su arranque. Su diámetro varía entre 100 y 300 milímetros.  En ocasiones puede sustituirse por dos taladros vacíos de diámetro menor (2 x 75 mm).    Destroza.  La  destroza  es  la  parte  central  y  más  amplia  de  la  voladura,  cuya  eficacia  depende  fundamentalmente del éxito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crítica de la voladura.    Zapateras.  La  zapatera  es  la  zona  de  la  voladura  situada  en  la  base  del  frente,  a  ras  del  suelo.  Los  taladros extremos suelen ir un poco abiertos “pinchados” hacia fuera con objeto de dejar sitio suficiente  para la perforación del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que más carga explosiva  contienen  ya  que,  aparte  de  romper  la  roca  han  de  levantar  ésta  hacia  arriba.  Para  evitar  repiés,  van  ligeramente “pinchados” hacia abajo y son disparados en último lugar.    Contorno. Los taladros perimetrales o de contorno son importantes pues de ellos dependerá la forma  perimetral de la excavación resultante. Lo ideal es que la forma real del perímetro del túnel sea lo más  parecida  posible  a  la  teórica,  aunque  las  irregularidades  y  discontinuidades  de  la  roca  dificultan  dicho  objetivo.    Existen dos técnicas de efectuar los tiros perimetrales: el recorte y el precorte. El recorte, que es la  técnica más empleada, consiste en perforar un número importante de taladros paralelos al eje del túnel en  el  contorno,  a  la  distancia  conveniente  (entre  45  cm  y  100  cm)  y  con  una  concentración  de  explosivo  pequeña o incluso nula. En la secuencia de encendido son los últimos barrenos en detonar. Por otro lado, la 
  • 160. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  157 técnica  del  precorte  se  perfora  un  mayor  número  de  taladros  perimetrales  y  paralelos  entre  sí  unas  distancias entre 25 cm y 50 cm, con una concentración de carga explosiva entre 0,1 y 0,3 kg/m. Esta técnica  exige una perforación muy precisa que asegure un buen paralelismo y una homogénea separación entre los  taladros.  En  la  secuencia  de  encendido,  son  los  primeros  en  detonar,  con  lo  que  se  crea  una  fisura  perimetral que aísla y protege la roca de las vibraciones del resto de la voladura. La técnica del precorte,  por su esmerada ejecución y costo elevado, es de uso poco frecuente en túneles, excepto en casos muy  especiales.  8.2.1.‐ Maquinaria de perforación  La perforación de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de  martillos  manuales  accionados  por  aire  comprimido,  y  el  segundo  es  mediante  martillos  hidráulicos  montados sobre una maquina automóvil denominada jumbo.    Martillos  manuales.  Los  martillos  manuales  de  aire  comprimido  funcionan  a  percusión,  es  decir,  la  barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusión, separándose del fondo del  taladro. El detritus es arrastrado hasta el exterior del taladro mediante agua, que tiene también la finalidad  de  refrigerar  la  barrena.  Los  martillos  manuales  son  actualmente  de  uso  poco  frecuente,  sólo  se  usan,  obviamente, en túneles muy pequeños o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a  los jumbos y requieren mucha mano de obra.      Jumbos. La máquina habitual de perforación es el jumbo, como se muestra en la imagen que incluimos  más  abajo.  Consta  de  una  carrocería  de  automóvil  dotada  de  dos  o  tres  brazos  articulados,  según  los  modelos.  En  cada  brazo  puede  montarse  un  martillo  de  perforación  (perforadora)  o  una  cesta  donde  pueden  alojarse  uno  o  dos  operarios  y  que  permite  el  acceso  a  cualquier  parte  del  frente.  El  funcionamiento de los jumbos es eléctrico cuando están estacionados en situación de trabajo y pueden  disponer también de un motor Diesel para el desplazamiento. Los martillos funcionan a rotopercusión, es  decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto sobre el fondo del taladro. El  accionamiento es hidráulico, con lo que se consiguen potencias mucho más elevadas que con el sistema  neumático. El arrastre del detritus y la refrigeración se consiguen igualmente con agua.    Los  rendimientos  de  perforación  que  se  consiguen  en  los  jumbos  hidráulicos  modernos,  pueden  superar  los  3,5  m/min  de  velocidad  instantánea  de  perforación.  Los  jumbos  actuales  tienen  sistemas  electrónicos para controlar la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de rotación de los martillos  e incluso pueden memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros automáticamente. En este  caso un único maquinista puede perforar una pega completa en unas pocas horas. 
  • 161. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  158   Figura 132. Jumbo  Accesorios  de  perforación.  Los  accesorios  de  perforación  comúnmente  usados  son  las  varillas  o  barrenas y las bocas de perforación. Además se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje  de las piezas. Las barrenas de perforación son simplemente barras de acero con un conducto interior para  el paso del agua de refrigeración y unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos.  La boca de perforación es la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido (carburo de  tungsteno)  o  widia,  dispuesto  en  formas  diversas:  en  cruz,  en  X  o  botones,  con  unos  diámetros  habitualmente comprendidos entre 45 y 102 milímetros.    La elección de un tipo u otro de boca, así como de sus diámetros, depende del tipo de maquinaria de  perforación,  de las  características de la roca y del  diámetro  de  los cartuchos del explosivo a introducir.  Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan un mayor rendimiento, al golpear la roca de  forma más homogénea y ser más fácil la evacuación del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer  varias entradas de agua frontales y también laterales. Para la elección del material de perforación y sus  accesorios se recomiendan el uso de los manuales especializados facilitados por los fabricantes.    8.2.2.‐ Explosivos y detonadores  Los  tipos  de  explosivo  que  deben  utilizarse  en  túneles  dependen  de  las  características  de  la  roca,  principalmente  de  su  densidad,  resistencia  a  compresión  y  velocidad  de  propagación  sónica  de  la  roca.  Además  los  explosivos,  durante  la  detonación,  deben  generar  gases  no  tóxicos,  lo  que  limita  el  tipo  de  explosivos en interior. El tipo de explosivo también depende del grado de humedad existente en la roca.    El  explosivo  más  utilizado  para  el  cuele  y  contracuele,  destroza  y  zapateras,  es  la  GOMA‐2  E‐C  o  RIOMEX E20/40. El diámetro de los cartuchos deberá ser lo más próximo al diámetro de perforación de los  taladros, compatible con su introducción dentro del barreno. La iniciación de la explosión en cada barreno  se realiza en el cartucho cebo instalado en el fondo del barreno y que contiene un detonador.   
  • 162. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  159 La  activación  de  los  detonadores  puede  ser  eléctrica  o  por  impacto;  en  el  primer  caso  se  utilizan  detonadores eléctricos. Por razones de seguridad, contra corrientes parásitas, se utilizan exclusivamente  detonadores  de  alta  insensibilidad  (Al).  Una  mayor  seguridad  ofrecen  los  detonadores  de  iniciación  no  eléctrica, tipo Nonel, cuyo uso sería especialmente aconsejable. Atendiendo a los tiempos de retardo, los  detonadores pueden ser: instantáneos, de microretardo (retardo de 25 ó 30 mseg), o de retardo (retardo  de 0,5 seg).    El resto de los elementos que se utilizan para la voladura son los siguientes:   Cañas. Son tubos de PVC (tubos omega) abiertos longitudinalmente en cuyo interior se colocan los  explosivos,  cordón  detonante,  etc.  Permiten  introducir  fácilmente  todos  los  elementos  en  su  disposición correcta dentro del taladro.   Retacador. El retacador es el material que cierra o tapona el taladro y de este modo impide que la  energía  debida  a  la  explosión  se  escape  por  la  boca  del  mismo.  Normalmente  se  usan  unos  cartuchos de arcilla muy plástica.   Explosor. Es el mecanismo que produce la corriente eléctrica que da lugar a la explosión. Suelen  estar basados en un condensador que se va cargando con una manivela o una batería y que cierra  el circuito manual o automáticamente   Cables. Los cables eléctricos que transmiten la corriente desde el explosor hasta los detonadores  son los usados habitualmente en trabajos eléctricos.    Las vibraciones producidas por las voladuras se transmiten por el terreno y pueden llegar a producir  daños en edificios y estructuras próximas al túnel así como a la roca circundante y al revestimiento. Por  este motivo tiene interés el estudio de la ley que rige la propagación de las ondas sísmicas y los valores  máximos  de  vibración  admisibles  en  cada  proyecto.  El  factor  principal  que  provoca  los  daños  es  la  Velocidad Pico de Partícula, que se define como la velocidad máxima que alcanzan las partículas del terreno  al vibrar por acción de la onda sísmica.    8.3.‐ Excavación con máquinas integrales: topos y escudos   8.3.1.‐ Introducción    Las máquinas integrales para la excavación de túneles se conocen habitualmente por las siglas T.B.M.  (Tunnel Boring Machine) y hacen referencia a una serie de máquinas capaces de excavar un túnel a sección  completa, a la vez que se colabora en la colocación de un sostenimiento provisional o en la puesta en obra  del revestimiento definitivo.      Estas  máquinas  se  dividen  en  dos  grandes  grupos:  topos  y  escudos.  Ambos  difieren  de  forma  importante  según  el  tipo  de  roca  o  suelo  que  sea  necesario  excavar,  así  como  de  las  necesidades  de  sostenimiento o revestimiento que requiera cada tipo de terreno.      Así,  los  topos  se  diseñan  principalmente  para  poder  excavar  rocas  duras  y  medias,  sin  grandes  necesidades de soporte inicial, mientras que los escudos se utilizan en su mayor parte en la excavación de  rocas  blandas  y  en  suelos,  frecuentemente  inestables  y  en  ocasiones  por  debajo  del  nivel  freático,  en  terrenos saturados de agua que necesitan la colocación inmediata del revestimiento definitivo del túnel.  
  • 163. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  160    A continuación se detallaran las características de cada una de estas máquinas.                  Figura 133. Vista de las cabezas de corte de dos TBM’s y dos escudos respectivamente (Geo‐Enviroment Laboratory Faculty  Of Engineering Nagasaki University)  8.3.2.‐ Topos   En líneas generales los topos constan de una cabeza giratoria, dotada de cortadores, que se acciona  mediante motores eléctricos y que avanza en cada ciclo mediante empuje de unos gatos que reaccionan  sobre las zapatas de los grippers, los cuales a su vez están anclados contra la pared del túnel. En la Fig. 134  se muestra un topo.       
  • 164. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  161   Figura 134. Vista general de un topo (Cortesía Herrenknecht AG)   8.3.2.1.‐ Descripción de la máquina    En  la  Fig.  135,  se  puede  ver  una  T.B.M.  tipo  topo.  Las  partes  fundamentales  se  describen  a  continuación, son: la cabeza, los grippers, los cilindros de empuje, el back‐up, y el sistema de guiado.       Figura 135. Esquema de un topo (Fernández, 1997)   8.3.2.2.‐ Partes de un topo  8.3.2.2.1.‐ Cabeza    Es la parte móvil que realiza la excavación de la roca (ver Fig. 136). Está dotada de cortadores que  normalmente  son  discos  de  metal  duro  que  giran  libremente    sobre  su  eje,  y  cuya  carcasa  se  fija  a  la 
  • 165. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  162 cabeza. Estos cortadores son de mayor diámetro cuanto mayor sea la dureza de la roca y, hoy día, son  normales los de 432 mm (17”) de diámetro, existiendo algunas realizaciones con 533 mm (21”) para rocas  muy duras, en el entorno de los 250 MPa.              Figura 136. Vista frontal de la rueda de corte que incorpora la cabeza de un topo (Cortesía Herrenknecht AG)    Los cortadores, normalmente se disponen en la cabeza de la máquina en forma de espiral, para que, al  girar la misma, puedan describir círculos equidistantes, y únicamente hay una concentración de cortadores  en el centro de la cabeza para forzar la rotura de la roca en esa zona a modo de cuele (ver Fig. 137).      El mecanismo de rotura de la roca, forzado en la zona central de la manera indicada, progresa en los  círculos siguientes hacia el espacio ya excavado, y para facilitar este trabajo se dota a las cabezas de una  pequeña conicidad.      El proceso de corte mecánico se produce inicialmente mediante un proceso de rotura frontal originado  por la presión que el cortador ejerce (ver cortador en Fig. 140) sobre el terreno y, posteriormente, en el  resto  de  la  sección,  la  rotura  entre  los  círculos  concéntricos  anteriormente  aludidos  se  produce  por  identación, con la formación de un escombro lajoso típico de este tipo de máquinas.  
  • 166. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  163   Figura 137. Círculos concéntricos dejados por los cortadores en el frente del túnel    En la Fig. 138 se representa un esquema de rotura frontal, y se pueden apreciar las cinco fases que  cronológicamente se suceden en la misma.          Figura 138. Fases en la rotura frontal (Fernández, 1997)   La Fig. 139 representa la posterior rotura por identación al paso de los cortadores por los diferentes  círculos descritos.  
  • 167. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  164   Figura 139. Esquema de rotura por identación (Alonso, 2002)       Figura 140. Vista de detalle y en perspectiva de un cortador (Robbins Company)  Los mecanismos de rotura descritos reflejan la importancia que tiene el estudio para cada tipo de roca  de la separación óptima entre cortadores, el empuje de la máquina y el diámetro de los cortadores.     
  • 168. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  165 La  resistencia  a  la  tracción  es  uno  de  los  aspectos  clave  de  la  roca  para  explicar  la  eficiencia  del  arranque. Naturalmente, el diaclasado de la roca, su fracturación, la existencia de esquistosidad favorable,  así  como  la  de  planos  de  estratificación  con  orientación  adecuada,  mejoran  considerablemente  este  proceso, favoreciéndose de forma notable la penetración del topo.           Figura 141. Disposición favorable y desfavorable, respectivamente, de los cortadores vs estratificación   Para la excavación de los escombros producidos, la cabeza incorpora además una serie de cangilones  situados en su periferia que recogen el escombro y lo elevan para su descarga en una cinta primaria.  
  • 169. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  166   Figura 142. Vista general de un topo a punto de iniciar el ataque de la excavación (Trenchless Technology)   El  accionamiento  de  la  cabeza  es  normalmente  eléctrico  y  con  dos  velocidades  de  giro,  una  larga,  normalmente en el entorno de las 9 rev/min y otra corta, usualmente la mitad. Una medida aproximada  para estimar la velocidad de giro (en RPM) puede ser:   siendo D el diámetro de la rueda de corte en mts.     Actualmente, se empiezan a utilizar accionamientos eléctricos con regulación de velocidad mediante la  variación  de  frecuencias.  La  regulación  de  esta  velocidad,  así  como  la  del  par,  es  esencialmente  valiosa  cuando se excavan rocas de muy distinta calidad, debido a que:   • Para excavar rocas duras, no es necesario un par demasiado elevado, pero sí interesa una velocidad  alta que permita utilizar toda la potencia de la máquina.   • En terrenos más blandos, donde la penetración de la máquina puede alcanzar altos índices, será  necesario disminuir la velocidad para no sobrecargar el sistema.   • En  el  caso  de  terrenos  con  bloques,  puede  igualmente  ser  aconsejable  una  disminución  de  la  velocidad para evitar el movimiento o derrumbe de bloques en el frente o en la clave del túnel.      Las ventajas  principales de este sistema eléctrico de frecuencia variable se pueden condensar en las  siguientes:   a) Permite una regulación continua de la velocidad con par constante entre 0 y 50 Hz. Por encima de  los  50  Hz,  se  mantiene  constante  la  potencia,  disminuyendo  el  par  a  medida  que  aumenta  la  velocidad,  cumpliéndose  en  este  caso  que  el  producto  de  par  por  velocidad  es  igual  a  potencia  constante.  
  • 170. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  167 b) Se dispone de todo el par a velocidades reducidas, incluso en el arranque con velocidad cero. Esto  es muy importante en terrenos que tienden a atrapar la cabeza de la máquina, ya que el par de  desbloqueo puede aumentarse hasta un 150% del par nominal durante unos 30 segundos.   8.3.2.2.2.‐ Grippers    Como ya se ha indicado, son las zapatas que acodalan a la máquina contra la roca durante el avance,  siendo su superficie mayor cuanto menor sea la resistencia de la roca, y existiendo, como es lógico, unos  límites en ambos sentidos (ver Fig. 143).      Normalmente, los grippers no pasan de 0.70 m de anchura, para que puedan apoyarse entre cerchas.  En algún caso, cuando se prevé trabajar en terrenos blandos, pueden llegar a tener una acanaladura central  que aloje en su momento el gálibo de una cercha en caso de ser necesario.             Figura 143. Vista en perspectiva de la cabeza de un topo. A la derecha, en color rojo, se destacan los grippers (Cortesía  Herrenknecht AG)   8.3.2.2.3.‐ Cilindros de empuje    Son normalmente 2 ó 4 y proporcionan a la máquina el empuje necesario contra el frente para realizar  la excavación. Su recorrido, comprendido entre 1.50 y 2.00 m, marca la longitud de cada ciclo de avance, ya  que  una  vez  agotada  su  carrera  es  necesario  soltar  los  grippers  y  retraer  los  cilindros  de  empuje  para  conseguir el avance de la parte fija de la máquina (ver Fig. 143).   8.3.2.2.4.‐ Back‐up    Se denomina así al conjunto de plataformas posteriores que arrastra la máquina en su avance y que,  normalmente, incorporan los siguientes equipos (ver Fig. 144):   • Transformadores y carretes de mangueras eléctricas.  
  • 171. GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES  Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín    PARTE I  168 • Captadores de polvo, constituidos la mayoría de veces por una cortina de agua que capta el polvo  en la tubería de aspiración del mismo y permite su posterior evacuación en forma de lodos   • Casetes de ventilación que almacenan habitualmente 100 m de tubería soplante.   • Polipastos  para  manejo  de  vías  y  dovela  de  solera,  ya  que,  en  la  actualidad,  la  mayoría  de  los  túneles  incorporan  una  dovela  en  solera  de  hormigón  prefabricado,  que  se  va  colocando  simultáneamente al avance del túnel.     Figura 144. Vista trasera del back‐up de una tuneladora (Trenchless Technology)   De  esta  forma,  el  túnel  dispone  a  lo  largo  de  toda  su  longitud  de  una  solera  de  hormigón  que  le  proporciona las siguientes ventajas:    • Permite disponer de una vía bien colocada, y en consecuencia los trenes alcanzan con seguridad  velocidades elevad