Propuesta de una Metodología para el Diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas.

Universidad de Oriente
Facultad de Construcciones
Departamento Ingeniería Civil
Trabajo de Diploma en
Opción al Título de
Ingeniero Civil
Título: Propuesta de una Metodología para el
Diseño del revestimiento estructural de túneles
en rocas malas o muy malas.
Autor: Ridel Orez Arias
Tutor: Yanosky Pérez Díaz
Santiago de Cuba,
Junio, 2014

Dedicatoria PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
REVESTIMIENTO ESTRUCTURAL DE TÚNELES
I
A mi familia, en especial a:
A mis abuelos Radalia y René
A mi madre Mirella y a mi padre Pascual
A mis hermanos
A mis amigos, en especial a Jorge y Maikel
A mi novia
A mí, por todo.

Agradecimientos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
II
A Radalia, por su voluntad de acero.
A René, por la crianza.
A Mirella por la vida creada y los años de apoyo.
A Pascual, por ser el promotor de la disciplina.
Agradezco a mis tías y tíos, por su preocupación.
A mis primas y primos.
A toda mi familia
A mi tutor Yanosky Pérez Díaz por su confianza y ayuda, y a su esposa por
acogerme en su casa.
A mis amigos.
A mi novia.
A mi suegra Aida por los regaños y la preocupación; a mi abuela política
Lidia.
A Diana, por llevar en su vientre a mis hermanos de crianza; por el cariño y
la ayuda.
A Susana, por ser mi madre de Guantánamo y a Laude, por su café y sus
vasos de agua.
A todos mis amigos: Jorge, Maikel, Yusel, Nilo (padre e hijo), Rudy, Blanca,
Odalis, Vargas, Rene, Marlenis.
A Yaritza y a mi ahijada Sahira.
A Fredy (El Pulpo) y a Leidismir por acogerme como un sobrino natural.

Agradecimientos PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
III
A Daylis, Diosmaikel, Carmen y Pepe.
A Arnaldo por los aseguramientos.
A Rubi, por su preguntadera.
A mi suegro y mi cuñado por ser y estar.
A la vida, por haberme permitido conocer a Valentín Orez
A todos los que de cierta manera colaboran con la materialización de este
Trabajo de Diploma y que por problemas de memoria o espacio no aparecen
en estas páginas.

Exordio PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
IV
“… un túnel no es un agujero más en la tierra. En términos estrictamente
prácticos se trata de una obra de ingeniería extraordinariamente sofisticada.
Y nunca fue sencilla ni segura.”
Ernest Wahlstrom, Muerte en el Túnel

Resumen PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
V
El presente trabajo de diploma es producto de una investigación científica
desarrollada en la provincia de Guantánamo a fin de optimizar el diseño estructural
del revestimiento de túneles en rocas malas o muy malas.
El cuerpo del informe se divide en dos capítulos: el primero estructurado con una
reseña histórica de la construcción de los túneles, en el mundo y en Cuba, así
como su utilización, funciones, desarrollo y perspectivas y las metodologías de
cálculo más utilizadas.
El segundo capítulo estará dedicado a profundizar en el diseño geotécnico de
túneles, los materiales utilizados y sus características, las formas geométricas que
se observan en su construcción, un análisis de los estados de carga y la síntesis
de todos estos conocimientos en la propuesta de una metodología de diseño para
el revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas.
La realización de este trabajo permite dotar a los profesionales de una
metodología precisa y específica para el diseño del revestimiento estructural de
túneles en rocas malas o muy malas.

Abstract PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
VI
The present diploma work is product of a scientific investigation developed in the
territory of Guantánamo in order to optimize the structural design of the lining of
tunnels in bad and very bad rocks.
The body of the report is divided in two chapters: the first one structured with a
historical review of the construction of the tunnels, in the world and in Cuba, as well
as their use, functions, development and perspectives and the used calculation
methodologies.
The second chapter will be dedicated to deepen in the geotechnical design of
tunnels, the constructions materials and its characteristics, the geometric forms
that are observed in its construction, an analysis of the load states and the
synthesis of all these knowledge in the proposal of a design Methodology for the
structural lining of tunnels in bad and very bad rocks.
The realization of this work will allow to provide to the professionals of a precise
and specific methodology for the design of the structural lining of tunnels in bad
and very bad rocks.

Índice PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
VII
Introducción 1
CAPÍTULO I. Túneles: construcción. Revestimiento. Estado del
arte. Reseña histórica de los túneles y metodologías de cálculo
utilizadas.
9
1.1 Historia y evolución de los túneles 9
1.2 Utilización de los túneles. Funciones, desarrollo y perspectivas 17
1.3 Estado del arte del diseño y construcción de túneles 19
1.4 Sostenimiento y revestimiento: diferencias y utilidades. 25
1.4.1 Sostenimientos y revestimientos de túneles utilizados en
Cuba
27
1.5 Particularidades y funciones del revestimiento estructural en
túneles.
28
1.6 Diseño del revestimiento estructural de túneles 30
Capítulo II. Análisis de los resultados obtenidos y propuesta de la
Metodología para el diseño del revestimiento estructural de túneles
34
2.1 Diseño geotécnico de túneles 34
2.2 Materiales utilizados 41
2.2.1 Hormigón armado 42
2.2.2 Hormigón con fibras. 42
2.2.3 Bulones 43
2.2.4 Aditivos 44
2.3 Forma geométrica del túnel. 45
2.4 Estados de cargas 46
2.5 Diseño sísmico de estructuras subterráneas. 48
2.6 Propuesta de metodología para el diseño del revestimiento de
túneles
50
2.7 Ejercicio demostrativo. 52
Conclusiones 66
Recomendaciones 68
Glosario 69
Bibliografía 70
Anexos 78

Introducción PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
1
A lo largo de la historia los hombres han construido túneles, al principio como
medio de acceso a minerales subterráneos y luego como vías de comunicación.
Las metodologías para su edificación han variado con el desarrollo de las
tecnologías, partiendo de estudios y observaciones, así como la creación e
implementación de un conjunto de técnicas para la materialización eficiente de
estas obras.
Los túneles son obras subterráneas de carácter lineal, cuyo objeto es la
comunicación entre dos puntos, para realizar el transporte de personas, materiales
o cosas; generalmente son artificiales.
La ejecución de túneles se impone en la construcción de:
 Carreteras
 Ferrocarriles y Líneas de Alta Velocidad
 Canales
 Pasos inferiores en canales, ríos, estrechos o brazos de mar
 Obras hidráulicas
 Obras urbanas
 Refugios subterráneos
 Explotaciones mineras
También hay túneles diseñados para servicios de telecomunicaciones, algunos
edificados para el paso de ciertas especies de animales e incluso conectan zonas
en conflicto o tienen carácter estratégico, ya que sirven como refugio.

2
Mucho es lo que se ha avanzado en el diseño y la construcción de túneles desde
su surgimiento en la antigüedad hasta la actual fecha. Los métodos varían en
cuanto a la perforación, el diseño, la construcción y el revestimiento.
Las características finales de un túnel dependen, entre otros factores, de los
suelos en los que estén enclavados y de su función; así como de la forma en la
que hayan sido diseñados. Estos dos aspectos, de conjunto con la tecnología y los
métodos de construcción influyen de manera categórica en su durabilidad y
comportamiento. Es por ello que resulta necesario conocer al detalle estos
elementos antes de diseñar el revestimiento de cualquiera de estas estructuras.
Al igual que se han realizado numerosos avances tecnológicos en la maquinaria
utilizada en los túneles, también se han producido sustanciales mejoras en los
diferentes métodos de sostenimientos y revestimientos.
El revestimiento en un túnel, puede o no, ser un elemento estructural, pero de
cualquier manera sirve para mejorar el aspecto estético y las características
operacionales del mismo. En el caso de los túneles viales, en el interior del
revestimiento, se alojan las instalaciones eléctricas, drenajes, redes de telefonía y
cableado en general; por otra parte con su construcción se mejora la rugosidad de
las paredes internas dando un mejor aspecto visual y mejores condiciones para el
flujo de aire, agua o cualquier otro fluido que se quiera transportar.
Los revestimientos en túneles hidráulicos se utilizan además para impermeabilizar
el sistema, disminuyendo de esta forma las pérdidas en su recorrido.
La acumulación de nuevos conocimientos y experiencias sobre el “Revestimiento
de Túneles”, provenientes de estudios analíticos y experimentales, la revisión
bibliográfica y documental, así como la observación del comportamiento de éstos,
bajo diferentes circunstancias y en diversas geografías, es una necesidad
apremiante del campo teórico y práctico de la ingeniería civil.

3
El diseño de los túneles toma auge a partir del siglo XIX y aunque existe una
bibliografía detallada sobre este tema- Scotti, G y G. Russo (2005) Serie:
Ingeniería de Túneles. Madrid. Río Rosas. Universidad Politécnica de Madrid- la
misma es de difícil acceso, pues no se encuentra en red y existen en Cuba muy
pocos ejemplares de esta serie de libros.
En el caso del diseño del revestimiento, los documentos que se pudieron consultar
para la realización de esta investigación se refieren a experimentos y situaciones
particulares1
, lo que demuestra la necesidad urgente de acumular conocimientos,
metodologías y teorías sobre el diseño del revestimiento de túneles alrededor del
mundo, pues si bien las teorías pueden adecuarse en dependencia de la región
geográfica donde se vaya a aplicar, deben existir preceptos básicos que no deben
violarse en el diseño e implementación de este componente en las obras
subterráneas.
Actualmente, alrededor del mundo, se reviste sobre la base de métodos numéricos
y software de diseño que arrojan los datos necesarios para la construcción. En
Cuba se reviste a partir de métodos empíricos y teniendo en cuenta muy pocos de
los conocimientos que hasta el momento se acumulan en este campo. Para el uso
de los métodos numéricos son necesarios varios ensayos de laboratorio con
tecnología no existente en el país.
En estos momentos en el país, específicamente en la zona oriental, se realiza la
proyección y construcción de los trasvases. Actualmente se construye el Este-
Oeste en la provincia de Holguín y se proyecta el Norte–Sur en Guantánamo.
Según la estrategia de desarrollo hidráulico a largo plazo de este último territorio,
se hace necesaria la construcción de túneles para el trasvase de agua de zonas
de alta probabilidad de lluvia hacia zonas secas, con el objetivo de potenciar el
desarrollo agrícola y ganadero de la provincia además del abasto a la población.
1
Ver Bibliografía

4
La mayoría de los túneles propuestos cruzan macizos montañosos, con rocas
caracterizadas como malas o muy malas, y muchos de ellos con sistemas de
fallas; generalmente se hallan enclavados en zonas sísmicas de alrededor de 0.2g
de aceleración2
.
Esto implica que además del diseño geotécnico del sostenimiento de los túneles
se debe hacer un diseño estructural del revestimiento. Para esto los ingenieros
cubanos no cuentan con una metodología o manual que unifique los criterios de
proyecto; incorporando las normas cubanas actuales, para lograr secciones de
túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad.
Teniendo en cuenta lo que hasta el momento se ha expuesto sobre los
conocimientos que se acumulan sobre el diseño del revestimiento alrededor del
mundo podemos concluir que existe una Contradicción fundamental entre la
variedad de métodos y criterios utilizados actualmente para el diseño del
revestimiento, en Cuba, y la necesidad de contar con una metodología única para
ello, lo que se traduce como la Necesidad de crear una metodología de diseño
para el revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas, lo
cual constituye el problema científico de este trabajo de diploma.
Por tanto los túneles en rocas malas o muy malas son el Objeto de
investigación.
El objetivo de la investigación, es elaborar una metodología para el diseño del
revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas que unifique los
2
La aceleración sísmica es una medida utilizada en terremotos que consiste en una medición directa de las
aceleraciones que sufre la superficie del suelo. A diferencia de otras medidas que cuantifican terremotos,
como la escala Richter o la escala de magnitud de momento, no es una medida de la energía total liberada del
terremoto, por lo que no es una medida de magnitud sino de intensidad. Es la medida de un terremoto más
utilizada en ingeniería, y es el valor utilizado para establecer normativas sísmicas y zonas de riesgo sísmico.
Durante un terremoto, el daño en los edificios y las infraestructuras está íntimamente relacionado con la
velocidad y la aceleración símica y no con la magnitud del temblor. En terremotos moderados, la aceleración
es un indicador preciso del daño, mientras que en terremotos muy severos la velocidad sísmica adquiere una
mayor importancia. Ver Anexo 12.

5
criterios de proyecto, incorporando las normas cubanas actuales3
, para lograr
secciones de túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad requerida.
El Campo de acción de esta investigación es el diseño estructural del
revestimiento de los túneles.
La Idea científica a defender expone que La creación de una metodología
para el diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas malas o
muy malas permitirá la homogenización de estos procedimientos para la
obtención de resultados seguros y duraderos.
Para dar tratamiento al objetivo presentado en esta tesis, se plantearon los
siguientes objetivos específicos y tareas científicas:
Objetivos específicos:
1. Brindar un estado del arte sobre el diseño de túneles en el mundo y en
Cuba.
2. Utilizar la base legal vigente en Cuba, aplicable al objeto de investigación.
3. Homogenizar el diseño estructural del revestimiento de túneles mediante
una metodología de diseño de lo anterior.
4. Comprobar mediante un ejemplo la factibilidad de la metodología
propuesta.
Tareas científicas:
1. Fundamentación de los antecedentes históricos que abordan el objeto de
investigación.
2. Sistematización de los referentes teóricos prácticos en los que se sustenta
el diseño estructural de túneles.
3. Diagnóstico del estado actual en que se encuentra el diseño de túneles en
el mundo y en Cuba.
3
Como normas actuales tenemos: NC 450: 2006 de combinaciones de carga; NC 463.2009 Guía del
hormigón proyectado; NC 470-2009 Colocación hormigón por método de bombeo; NC 228-1Aditivos para
hormigones.

6
4. Elaboración de la metodología que cuente con criterios y fundamentos
normativos para el diseño estructural del revestimiento de túneles.
5. Valoración de la factibilidad de la propuesta.
La dialéctica materialista constituye el método general del cual se parte para el
diseño, desarrollo y análisis de los resultados de la investigación y se emplearon
métodos teóricos y empíricos, para los fines propuestos.
Para la realización de la investigación se aplicaron los siguientes métodos
científicos:
Nivel teórico:
Histórico-lógico: Para determinar las tendencias históricas, estudiar y revisar
gradualmente la construcción de túneles y sus procedimientos, más
específicamente en Cuba.
Análisis y síntesis: Para todo el procesamiento de la información recopilada así
como de los datos obtenidos que permitió definir los sustentos de la investigación.
Inducción-deducción: para el razonamiento lógico tanto del objeto como del
campo de la investigación y todo el abordaje teórico, dimensiones y métodos.
Modelación Sistémico estructural funcional: en la concepción general de la
investigación y en el análisis del proceso de diseño del contenido didáctico de la
metodología propuesta.
Nivel empírico:
Observación: Para constatar en los diseños existentes, criterios de diseño,
ubicación y métodos de diseño utilizados.
Revisión Documental: Para la revisión de la bibliografía disponible sobre el tema
y otras literaturas afines, así como la revisión de proyectos realizados.
Entrevista: Para diagnosticar el estado actual del campo.

7
Nivel matemático: Software de análisis estructural: SAP 2000, como parte del
análisis propuesto en la metodología.
Otros elementos que caracterizaron esta investigación son los siguientes:
Novedad científica: Una metodología para el diseño estructural de túneles que se
encuentre ubicados en rocas malas o muy malas que unifica métodos y criterios
de diseño utilizados.
Aporte metodológico: Desde el punto de vista metodológico, esta investigación
aporta como resultado, el perfeccionamiento del instrumental metodológico y de
análisis, existente para el diseño y revisión de obras subterráneas.
Aporte práctico: Con la aplicación de la metodología se logran secciones de
túneles con funcionabilidad, seguridad y durabilidad requerida a partir de la
aplicación de la base legal vigente, criterios valorados y la optimización de los
cálculos.
Justificación de la Intervención:
Como se expone anteriormente el desarrollo hidráulico y por consiguiente agrícola
del país se basa en la construcción de los trasvases; los cuales llevan implícito los
túneles.
En Cuba, generalmente el diseño de túneles estuvo reservado a la minería y la
geología, los cuales usan métodos y criterios geológicos para su diseño. En estos
momentos no existen normas o regulaciones que tutelen esos diseños y con la
introducción al país de nuevas tecnologías y materiales de construcción, los
diseños se basan en literaturas y métodos extranjeros.
Luego de la aplicación de los métodos de nivel empírico se nota dispersión en
cuanto a los criterios de diseño por parte de los proyectistas. En cuanto a los
métodos de diseño y construcción están mucho más ajustados al uso de la
tecnología existente en el país.

8
Los resultados de las entrevistas evidencian que se utilizan los métodos y
bibliografía extranjera, pero existe muy poca compatibilización con las bases
legales cubanas; o sea los diseños están sujetos a la bibliografía disponible por el
ingeniero encargado y a su experiencia en el tema.
Estructura del trabajo:
-La primera parte del trabajo es la Introducción (justificación-objetivo y diseño
metodológico de la investigación)
-La segunda parte (Capítulo I) aborda sobre los túneles, su construcción, el
revestimiento, estado actual, reseña histórica de los túneles y metodologías de
cálculo utilizadas.
- La tercera parte (Capítulo II) será el análisis de los resultados obtenidos a partir
de la aplicación de los métodos y las técnicas de investigación, además de la
creación de la propuesta y su comprobación, particularizando en el objeto preciso
que nos ocupa.
-Para finalizar se ofrecerán las Conclusiones y Recomendaciones, resultantes de
la investigación, así como una relatoría de la bibliografía utilizada, la definición de
términos y los Anexos.

Capítulo I
TÚNELES: CONSTRUCCIÓN. REVESTIMIENTO. ESTADO DEL ARTE.
RESEÑA HISTÓRICA DE LOS TÚNELES Y METODOLOGÍAS DE
CÁLCULO UTILIZADAS.
9
En este capítulo se expone la historia del diseño y construcción de túneles, así
como su estado actual en el mundo y en Cuba. Además el acápite brinda una
visión de la relación entre las formas de construcción y los diseños. Se definen las
partes componentes del túnel y se especifica las funciones de ellas.
Posteriormente se sistematizan y resumen los conceptos, criterios y métodos
existentes a nivel mundial y nacional sobre el revestimiento de túneles, la
diferencia del mismo con el sostenimiento y se explicita la importancia de ambos
componentes dentro de este tipo de estructura soterrada.
1.1. Historia y evolución de los túneles.
Existen diversos conceptos para la palabra túnel: Según la Real Academia de la
Lengua Española es un “paso subterráneo abierto artificialmente para establecer
una comunicación”. En la Ingeniería Civil se define como una construcción
subterránea, cuyo fin es el de comunicar dos puntos, para el transporte de
personas, materiales entre otras cosas. Generalmente es edificado por el hombre.
Los seres humanos iniciaron su exploración hacia las entrañas de la tierra
imitando a los animales, en busca de agua, alimentos y refugio. Desde los
primeros años de la historia resulta impresionante la tremenda perseverancia y el
desprecio por el riesgo que mostró el hombre desde los orígenes de la humanidad,
en sus intentos por perforar la Tierra, partiendo inicialmente sólo de las propias
manos y la fuerza bruta y posteriormente confeccionando, poco a poco,
herramientas rudimentarias como martillos, picos y cinceles. A estas
construcciones soterradas se les denominó túneles, del término inglés Tunnel4
.
Históricamente, la más antigua de estas edificaciones de la que se tiene
constancia, gracias a los relatos de Diodoro de Sicilia5
, es la construida en
Babilonia para comunicar el templo de Belos y el Palacio, bajo el rio Eúfrantes en
el año 2200 a.C (Juncá: 1991).
4
El vocablo inglés tunnel proviene de siglo XV, del término tonel, francés antiguo, y del Latín Medieval
tunna, que significan barril pequeño.
5
Historiador griego del siglo I a. C., nacido en Agirio (hoy Agira), en la provincia romana de Sicilia.

Capítulo I
10
Aunque fueron los antiguos egipcios quienes marcaron el inicio de lo que sería
una constante transformación en el arte de la construcción de túneles. Su principal
herramienta fue el fuego, empleado en un procedimiento que fue muy utilizado en
esta etapa de la historia. El mismo consistía en la habilidad de romper la roca
provocando incendios con leña en el frente de ataque del túnel y apagando
bruscamente las llamas con agua fría; el proceso de calentamiento y enfriamiento,
producía un brusco gradiente térmico que daba lugar a la fractura y
resquebrajamiento de la roca que se agrietaba, desprendiéndose y proyectándose
con fuerza, lajas y fragmentos, con gran peligro para los trabajadores.
Esta técnica fue copiada por los ingenieros de la Antigua Grecia y Roma,
difundiéndose por toda Europa y permaneciendo vigente hasta la introducción de
la pólvora y los explosivos.
En Egipto, en la Antigüedad, el uso de los túneles tenía un carácter esencialmente
religioso, actitud que también fue asumida por los territorios de India y China
posteriormente.
Ya en la Edad Media, con la transformación de la base económica, la minería se
fortalece como actividad productiva y por estas razones la cantidad de
construcciones subterráneas aumenta, perfeccionándose con ello los métodos
constructivos. El Renacimiento toca también a estas estructuras, de las que habla
Da Vinci en sus proyectos de ciudades, ambicionando ir más allá de los macizos
montañosos. El primer túnel de este período histórico es la Mina de Daroca, de
600 metros de anchura y una altura entre los 7 y 8 metros. Pierre Bedel6
fue el
autor de esta obra.
En el siglo XVIII inicia una época conocida como La Era de los Canales, etapa en
la que los túneles comienzan a cobrar verdadera importancia. Entre ellos se
destaca la construcción del túnel de Malpas, cerca de Beziers, en el Canal de Midi,
6
Arquitecto, ingeniero y escultor francés, que trabajó en el sur de Aragón en el siglo XVI. Construyó el
Acueducto Los Arcos (Teruel) (1555 - 1562) y la Mina de Daroca.

Capítulo I
11
para la unión de dos mares. Con 155 metros de longitud y 8 de altura, fue
perforado por Pierre-Paul Riquet7
.
Con el desarrollo del ferrocarril se impone como reto la posibilidad de atravesar
terrenos montañosos, salvar estos macizos constituía una prioridad fundamental
para el avance de esta industria. Es a partir del siglo XIX cuando estas
edificaciones tienen su gran auge. En la hazaña de la construcción de los túneles
alpinos, se recuerdan los nombres de Mont Cenis, San Gotardo y Simplón,
quienes constituyeron una tríada titánica en la lucha de perforar los Alpes, lo que
constituye sin dudas el mayor punto de tensión en la historia de estas estructuras.
La construcción de estos medios de comunicación artificial entre dos puntos
separados por un suelo o roca se ha prolongado hasta la actualidad,
perfeccionándose paralelamente al desarrollo de la tecnología y las técnicas en la
construcción. El diseño de los túneles solo vino a tomar importancia a partir de la
primera mitad del siglo pasado, pues anteriormente solo se construían de forma
empírica.
La proliferación de las grandes urbes, la masificación del metro como medio de
transporte en las ciudades densamente pobladas, extendió la construcción de
estas estructuras hacia escenarios citadinos, constituyéndose en una de sus
principales funciones en la actualidad la del transporte.
Debido a su utilización diversa en los tiempos presentes, estas estructuras elevan
su importancia a medida que la sociedad avanza y son inevitables en grandes
núcleos urbanos muy masificados por edificios para establecer líneas de metro,
también en la comunicación de poblaciones separadas por una orografía
pronunciada o incluso por mar, como es el túnel del Canal de la Mancha. Estos
7
Pierre- Paul Riquet, barón de Bonrepos, fue el ingeniero que llevó a cabo la obra del Canal de Languedoc.
Su padre, Francois-Guillaume Riquet, formó parte de un grupo de estudio que se había dedicado a la
construcción de un canal que uniera el Atlántico al Mediterráneo, abandonado al ser incapaces de encontrar
una solución al problema del abastecimiento de agua. Riquet consiguió superar este problema gracias a su
conocimiento del macizo montañoso de la Montagne Noire, donde aplicó las teorías del ingeniero provenzal
Adam de Craponne marcando un punto de divisoria de aguas a partir del cual éstas se vertían en una
dirección u otra.

Capítulo I
12
nuevos escenarios han exigido de los túneles una mayor seguridad, lo cual ha
recaído principalmente en la actividad de diseño, de ahí su tardío desarrollo.
Han existido numerosas razones para la edificación de un túnel, las más
habituales para desarrollarlos son:
a) Terreno: la topografía puede limitar la implantación de una obra lineal cuyas
especificaciones obligan a tener pendientes límites.
b) Economía: en muchas ocasiones resulta más rentable atravesar un obstáculo
mediante un túnel que rodearlo; por lo cual, es lógico pensar que el tiempo
también puede disminuir considerablemente al ejecutar un túnel en vez de
decantarse por rodear el obstáculo.
c) Ordenación urbanística y de tráfico: la implantación de metros facilita la
movilidad en las grandes urbes.
d) Estética y salud: para la circulación de aguas residuales y saneamiento en las
ciudades.
e) Minería: aunque se suelen denominar galerías o pozos, dependiendo de la
orientación, su fin es unir dos puntos, para acceder a una mineralización.
En dependencia de su uso y de las características del terreno en el que se va a
construir, existen diferentes tipos de secciones de túneles y galerías, las más
utilizadas quedan reflejadas a continuación en la Figura 1.1.

Capítulo I
13
Figura 1.1- Tipos de secciones de túneles
En el caso de Cuba, existen una pequeña cantidad de túneles, construidos
generalmente para fines hidráulicos y unos pocos para el transporte de personas.
En esta última función uno de los de mayor longitud es el Túnel de La Habana que
discurre por debajo de la Bahía de la ciudad y figura entre las siete maravillas de
la ingeniería civil cubana.
Con una longitud de 733 metros, a una profundidad de 12 ó 14 metros
aproximadamente, fue construido por la empresa francesa Societé de Grand
Travaux de Marseille, en los años 1957 y 1958, culminándose el 31 de
mayo de 1958.
El ingeniero cubano José Menéndez Menéndez, director de la obra diseñó, según
su carta técnica, un sistema de tubos de hormigón reforzado, capaz de soportar
grandes toneladas de agua, lo cual lo convierte en un medio seguro y eficiente
para el transporte de vehículos8
. La altura del túnel es de 4,25 metros, por lo que
está limitado el acceso para algunos medios de transportación de gran tamaño. El
8
El tránsito de un extremo a otro del túnel se realiza en unos 45 segundos a 60 kilómetros por hora, cuando el
tráfico se comporta con normalidad. En muy pocas ocasiones se ven embotellamientos en el movimiento
vehicular. Según las estadísticas, unos 32 mil vehículos hacen uso de las facilidades de este túnel habanero
cada día.

Capítulo I
14
costo de esta colosal obra fue de unos 30 millones de dólares y su ejecución duró
32 meses.
Aunque no es el único túnel9
existente en la ciudad de La Habana se le denomina
así por la gran importancia que tiene para el transporte en la misma.
Otro túnel dedicado al transporte es el del ferrocarril Martí, de la provincia de
Matanzas, obra de ingeniería, situada en central azucarero “Esteban Hernández”
que atraviesa una cordillera de montañas. Su principal ventaja ha sido servir como
apoyo a la producción azucarera. Su construcción data del año 1915, con 5 m de
ancho por 5 m de alto y unos 90 m de largo, actualmente se utiliza para el
transporte vial.
En la zona oriental contamos con una construcción soterrada, en la provincia de
Santiago de Cuba. Ubicado en el municipio de Songo-La Maya, el túnel tiene
como objetivo acortar la distancia entre municipio con la vecina provincia de
Guantánamo, evitando así las empinadas y peligrosas curvas de la carretera que
antes comunicaba a estos dos territorios.
También, posterior al triunfo revolucionario, en el país, proliferaron los túneles en
su función de refugios. También son conocidos como túneles populares, los
mismos surgen como resultado de las orientaciones del Comandante en Jefe Fidel
Castro Ruz al pueblo revolucionario, de construir, en tiempo de paz, túneles
populares en toda la nación con el propósito de garantizar su protección y
defensa.
9
Otros dos conocidos túneles habaneros son el de Línea y el de Quinta Avenida. Construidos en los años 50
de pasado siglo en el sector del río Almendares, cercano a su desembocadura, sustituyendo dos puentes que
hasta ese momento posibilitaban enlazar a importantes zonas de la ciudad como eran el Vedado y la
aristocrática barriada de Miramar. El primer túnel que se construyó fue el que enlazaría la avenida de Línea
en la parte del Vedado y la Avenida 31, este fue el primer viaducto bajo agua que se inauguró en la capital
cubana. Por su parte, el túnel de Línea se construyó bajo el método de fundir en el río los tubos que
conformarían los conductos, para lo que se realizó una especie de dique seco de una orilla hasta la mitad del
cauce del río donde fundirían los dos primeros fragmentos de tubos, dejando la otra mitad del cauce para el
fluir del agua. Cuando estuvo terminada la fundición de esas dos primeras mitades, se dejó pasar el río por
ese lado y se procedió a las labores de encofrado del dique constructivo por el otro para completar los
conductos.

Capítulo I
15
En el país, en estos momentos el mayor índice de diseño y construcción se
concentra en los túneles hidráulicos10
, principalmente utilizados en los trasvases.
En el caso de la presente investigación centraremos nuestra atención en el diseño
de los anteriores, por lo que resulta de vital importancia definirlos.
Los túneles hidráulicos son los destinados a conducir agua. Existe amplia
variedad en cuanto a su uso:
-Aprovechamiento hidroeléctrico.
-Abastecimiento de agua.
-Riego.
-Saneamiento.
-Drenaje, evacuación de tormentas, etc.
Desde el punto de vista de su construcción, no presentan diferencias importantes
con otros túneles, exceptuando el hecho, sobre todo en los trasvases, proyectos
en los que estas construcciones suelen ser más largas y, en general, de menor
sección que los de transporte.
La obra hidráulica más significativa que se realiza en Cuba actualmente es la del
Trasvase Este-Oeste, en la zona oriental del país, con el objetivo de trasladar
agua desde las zonas de máximas precipitaciones hacia los territorios más secos
enclavados en la región oriental. Como parte de esta obra se hace necesaria la
construcción de numerosos túneles hidráulicos. Hasta marzo del 2010 se habían
excavado la mayoría de los túneles proyectados, con una sección ovoidal11
de
paredes rectas de 6.0 m x 6.0 m, generalmente.
10
Cabe destacar además que no existe una documentación que refiera la cantidad y las características de los
túneles en Cuba, ya asean hidráulicos o de transporte.
11
Ver Anexo 2 (figura 1 y2).

Capítulo I
16
También se encuentra aún en proyecto el Trasvase Norte – Sur, en el Valle de
Guantánamo, con la finalidad de conducir, en una primera etapa, 10 m³/s de agua
desde la presa Yateras, a través de un túnel de 680.69 m de largo, una conductora
de 2,00 metros de diámetro y un canal de 420.61 m. En una segunda etapa, con la
incorporación del conjunto hidráulico de la Derivadora Toa y un túnel de 17 km de
largo, por este tramo se podrán conducir hasta 15 m³/s de agua; de manera que
para el diseño de este tramo, se considera la capacidad máxima de conducción.
Por otra parte, en el trasvase de Sabanalamar - Pozo Azul, ya terminado y en
funcionamiento, ubicado en el Valle de Caujerí, está compuesto por 1,070 km de
túneles de sección ovoidal de 4.8 m x 4.8m, revestidos con hormigón lanzado
reforzado con fibra y bulonado, en los que se trabajó bajo el Método Noruego de
Construcción de Túneles (MNT)- utilizado generalmente en Cuba- que será
brevemente explicado posteriormente.
En Cuba con las inversiones de los trasvases se han introducido nuevas
tecnologías de diseño y construcción, la estrategia de desarrollo de estos se
extiende hasta el 2030 aproximadamente, lo cual implica la importación de
equipamiento que permita mejorar las investigaciones y diseños de obras de los
mismos.
Fig. 1.2 Esquema del Trasvase Este-Oeste

Capítulo I
17
Figura. 1.3 Túnel de sección ovoidal. Intercepto de Serones. Empate de fundiciones para
terminar el Intercepto.
1.2. Utilización de los túneles. Funciones, desarrollo y perspectivas
La construcción de un túnel, desde tiempos antiguos ha estado dada por la
necesidad de superar un obstáculo natural, como se expuso anteriormente. Entre
las principales funciones de estas construcciones, dejando a un lado los túneles
de minas y los hechos por los zapadores militares, abarcan:
Transporte de personas y mercancías
 En carreteras
 En líneas de ferrocarriles
 En transportes urbanos (Metros)
 En pasos peatonales y para ciclistas.
Para transporte de agua
 En canales
 En abastecimientos urbanos

Capítulo I
18
 Para el riego
 En centrales hidroeléctricas
 Para el agua de enfriamiento en centrales térmicas y nucleares
 Servicios por Cables y Tuberías.
Se podría decir que esta es la función más antigua: la de transporte. Podríamos
resumir diciendo que en un principio fueron las conducciones de agua las que
necesitaron de los túneles, debido a los requerimientos de pendiente máxima o
nula; más adelante el desarrollo del ferrocarril y posteriormente el surgimiento de
los vehículos y automóviles, hicieron aún más necesaria la construcción de
túneles, para evitar fuertes pendientes, acortar distancias y ganar seguridad en el
traslado.
Almacenamiento y Plantas.
 Estacionamiento para carros.
 Almacenamiento del petróleo en depósitos subterráneos.
 Estaciones Subterráneas de Energía.
 Instalaciones para usos militares.
 Eliminación de los residuos radioactivos.
El almacenamiento de determinadas sustancias y materias se soluciona en
ocasiones con la construcción de estos emplazamientos, que garantizan las
necesarias condiciones de seguridad en algunos casos, en otros evitan el fuerte
impacto ambiental que ocasionarían unos grandes depósitos en la superficie como
es el caso del almacenamiento del petróleo, residuos radioactivos, materiales para
usos militares y embalses subterráneos.

Capítulo I
19
Protección de las Personas.
 Refugios.
 Puestos de Control.
Existen otros criterios sobre los usos de estas estructuras, algunos autores
establecen otras funcionalidades entre las que pudiéramos enumerar:
1. Trasvases
2. Unión de islas o estrechos
3. Pasos fluviales (en cuyo caso el trazado se efectúa bajo una lámina de
agua)
1.3. Estado del arte del diseño y construcción de túneles.
El diseño de los túneles siempre se basó en métodos empíricos a nivel mundial,
generalmente se edificaban según la experiencia de los constructores, solo con el
desarrollo de la informática y las tecnologías en las investigaciones geológicas se
han comenzado a realizar formulaciones y métodos numéricos para el análisis del
comportamiento del terreno. Esto ha conllevado a que existan varios softwares (en
Cuba se utiliza el GeoStudio parcialmente como uno de los más avanzados) para
realizar este tipo de análisis, aunque no existe una metodología definida para el
diseño de túneles; generalmente se diseñan por métodos basados en las
tecnologías que se poseen en el país donde se edificará.
Como estructura, los túneles están formados por: la bóveda, los hastiales y la
solera. Todos estos pueden ser construidos en una única etapa, con todo el
espesor de hormigón y armaduras definitivas, o en dos etapas. En este último
caso la primera etapa se ejecuta cerca del frente y tiene como función principal el
sostenimiento del suelo en el corto plazo. La segunda etapa, de terminación, se
ejecuta dentro de un túnel limpio y seco, y por lo tanto tiene mejor calidad. Con

Capítulo I
20
frecuencia se exige que el análisis estructural del túnel se efectúe tomando en
cuenta únicamente el revestimiento de la segunda etapa.12
En la ingeniería civil, la construcción de los túneles se divide en dos partes:
 Túneles en roca.
 Túneles en terreno blando.
El objetivo que se persigue con la perforación de túneles en roca es penetrar el
macizo rocoso mediante la fracturación, excavación y extracción de la roca. En
estos terrenos la principal preocupación reside en la excavación y en la calidad de
la roca.
En el caso de la construcción de túneles en terrenos blandos, la excavación es a
menudo más sencilla que si se trata de perforar una roca dura, siendo en este
caso la principal dificultad, la de evitar que el terreno se desmorone en el interior
del túnel. Resulta esencial la instalación de un revestimiento durable y resistente
tan pronto como se haya efectuado la excavación.
Hasta mediados del siglo XIX las minas y los túneles eran construidos con una
metodología bastante similar, que se remontaba a la Edad Media, pero después
de estas fechas se registraron notables avances. En esta etapa el sistema de
perforación de túneles en roca se establece como una industria moderna, cuestión
que se consolida con la construcción del túnel de Hoosac, en Estados Unidos.
Los túneles se construyen excavando en el terreno, manualmente o con
máquinas. Los sistemas habituales de excavación subterránea son:
 Los medios mecánicos: mediante minador puntual (rozadora), minador a
sección completa o TBM (Tunnel Boring Machine) o con maquinaria
convencional (martillo picador y excavadora)
12
Ver Anexo 2 (figura 1 y 2) y 4.

Capítulo I
21
 Perforación y voladura: mediante explosivos -utilizado en Cuba-.
 Manual: método derivado de la minería clásica del carbón de las cuencas
asturianas, en el que los operarios pican con martillo neumático la sección a
excavar y otra partida de obreros desescombran manual o semi-
manualmente.
Actualmente existen numerosos métodos para la construcción de túneles. Cada
tipo de construcción implica condicionales diferentes para el diseño. Entre ellos
sobresalen en la actualidad:
 Cut-and-cover
 Tuneladora
 Nuevo Método Austríaco
 Empuje de tubos o Hinca de Tubería
 Tecnología sin zanja
 Método Noruego de Tunelado
A continuación explicaremos en qué consisten algunos de los métodos de
construcción y las consideraciones para el diseño.
Método de Cut-and-cover
El método Cut and cover, que significa "Cortar y cubrir" en español, es un
procedimiento de construcción para túneles superficiales donde se excava desde
la superficie la totalidad o parte del hueco que ocupa el túnel, se construye el túnel
dentro del hueco a cielo abierto y se cubre una vez terminado. Requiere un
sistema de sostenimiento fuerte para soportar las cargas del material que cubre el
túnel. Existen dos formas de realizar el Cut-and-cover:

Capítulo I
22
a) Método 'Bottom-up'
Se excava a cielo abierto la totalidad del hueco ocupado por el túnel y se
construye en el interior. El túnel puede ser de hormigón in situ, hormigón
pretensado, arcos pretensados, arcos con acero corrugado y también con ladrillo,
que se solía usar al principio.
b) Método 'Top-down'
Este método se encuentra en auge para la construcción de túneles en el interior
de las ciudades. Requiere poca maquinaria especializada, apenas más de la
utilizada en la construcción convencional de sótanos. En la superficie, desde la
calle, se ejecutan las paredes del túnel cavando una zanja que se hormigona para
formar muros-pantalla o una hilera de pilotes. Cuando las paredes están
terminadas se ejecuta la losa superior, que se apoya en las paredes, excavando
sólo el hueco que ocupa la losa y apoyándola durante su construcción contra el
terreno.
Cuando la losa y las paredes están terminadas, puede reconstruirse la superficie
mientras continúan los trabajos en el interior del túnel. La tierra del interior del
túnel no se extrae hasta esta fase, en la que como los elementos portantes del
túnel están ya construidos se puede excavar con retroexcavadoras. Cuando se ha
excavado hasta el nivel adecuado se ejecuta la contrabóveda, losa generalmente
de hormigón que hace de suelo del túnel. Se pueden crear losas intermedias para
realizar túneles de varias plantas.
En estos casos - 'Bottom-up' y 'Top-down'- el diseño del túnel es completamente
estructural, no hay diseño geotécnico, se diseña la sección transversal en función
del uso que tendrá el túnel, los elementos de la sección transversal se diseñaran
para soportar las cargas de la fase constructiva y las definitivas. Este método, en
sus dos variantes, es muy usado en túneles con poca profundidad. Cuando la
altura de terreno sobre el túnel es grande, no son recomendables.

Capítulo I
23
Nuevo Método Austríaco
El nuevo método austríaco fue desarrollado en los años 1960. La excavación se
realiza en dos fases, primero se realiza la excavación superior y después se retira
el terreno que quede debajo hasta la cota del túnel. El método se basa en usar la
tensión geológica del macizo rocoso circundante para que el túnel se estabilice a
sí mismo mediante el efecto arco. Para conseguirlo se basa en medidas
geotécnicas para trazar una sección óptima. La excavación es inmediatamente
protegida con una delgada capa de hormigón proyectado, lo que crea un anillo de
descarga natural que minimiza la deformación de la roca.
Debido al control exhaustivo el método es muy flexible, incluso en condiciones
geomecánicas desconocidas de consistencia de la roca, durante el trabajo de
tunelación. Las mediciones de las propiedades de la roca informan de las
herramientas apropiadas.
En las últimas décadas las excavaciones mayores de 10 km en suelo blando se
han convertido en usuales. Uno de los casos más conocidos, corresponden a la
construcción de la línea 4 y la extensión de las líneas 1, 2 y 5 del metro de
Santiago de Chile.
En el caso de este método se basa prácticamente en el diseño según el avance, la
sección transversal del túnel se diseña para su funcionamiento en dos etapas, la
primera etapa como arco y una segunda etapa como sección completa, posee la
limitante que todas las secciones a construir deben tener la bóveda como un arco.
Además requiere de tecnología especializada para el control sistemático de la
construcción y reevaluación de los diseños a pie de obra.
Empuje de tubos
En inglés llamado Pipe jacking, consiste en empujar el tubo mediante gatos
hidráulicos hacia el terreno. Se usa cuando existen estructuras por encima que no

Capítulo I
24
se quieren dañar como vías de tren o carreteras. Generalmente el terreno donde
se va a construir no es roca.
En este caso se diseña la tubería, primeramente se define el material según las
especificaciones del fluido a transportar y luego se define el espesor de las
paredes para soportar las cargas permanentes y las constructivas.
Método Noruego de Tunelado
Este en un método muy novedoso que se basa inicialmente en el diseño desde el
punto de vista geológico vinculado con la forma de construcción.
Consiste en la combinación de una clasificación geomecánica que permite
diseñar un sostenimiento, primero, conformado por anclas en roca, bulones y
hormigón proyectado reforzado con fibras.
Basado en la clasificación de la roca donde se encuentra ubicado el túnel, se
define los espesores de sostenimientos y los espaciamientos de los bulones.
Cuando lo requiere se refuerza con barras de acero corrugado agrupadas de
forma plana. Para rocas muy malas se utiliza el revestimiento de hormigón
fundido. En este método se prevé convertir el sostenimiento en revestimiento
reforzándolo convenientemente con los mismos medios usados para el
sostenimiento siempre que sea posible. Este método es el utilizado actualmente
para el diseño de los túneles de los trasvases.

Capítulo I
25
Figura. 1.2 Sostenimiento con hormigón proyectado y bulones
1.4 Sostenimiento y revestimiento: diferencias y utilidades.
La bibliografía consultada refiere a los términos sostenimiento y revestimiento
como dos conceptos relacionados en la construcción de túneles pero no iguales
en su definición. También muchos métodos de diseño calculan o proyectan el
sostenimiento para asumir las funciones estructurales y solo contemplan el
revestimiento como elemento de estética o terminación. En la mayoría de los
casos se recomienda que su diseño sea analizado y se tomen por separado,
unidos solo en función de razones económicas y constructivas. Es importante
realizar las diferenciaciones entre estos elementos debido a que muchos
ingenieros y profesionales del campo lo consideran como iguales.
Se denomina soporte o sostenimiento a los elementos estructurales de sujeción
del terreno, aplicados inmediatamente después de la excavación de un túnel, con
el fin de asegurar su estabilidad durante la construcción y después de ella, así
como garantizar las condiciones de seguridad.
La función del sostenimiento está íntimamente ligada al reajuste tensional que se
produce en el terreno como consecuencia de la realización de la excavación.
Revestimiento de
Hormigón
Proyectado
Bulones

Capítulo I
26
La necesidad de soporte está condicionada por la capacidad del terreno de
alcanzar una situación de equilibrio tras la excavación. El mismo puede ser total,
como arco resistente, o parcial para sostenimiento de cuñas o bloques
potencialmente inestables. En general el soporte es un elemento drenante, a
través de la masa o como consecuencia de la fisuración por entrada en carga.
El revestimiento, por su parte, se coloca con posterioridad al sostenimiento y
consiste en aplicar sobre este último una capa de hormigón u otros elementos
estructurales, con el fin de proporcionar resistencia a largo plazo al túnel y dar un
acabado regular, mejorando su funcionalidad (condiciones aerodinámicas,
impermeabilidad, luminosidad, albergar instalaciones y propiciar la estética de la
obra). En muchos países está establecido como un criterio no tener en cuenta la
contribución del sostenimiento al soporte de las cargas para el cálculo del
revestimiento definitivo.
Este elemento constituye la capa más interna y por tanto está expuesta al espacio
libre interior del túnel. Podrá tener función estructural o no dependiendo de las
condiciones asumidas en el diseño. Aunque puede o no aplicarse el revestimiento,
este generalmente es necesario en la mayor parte de los túneles. Se colocan con
dos fines: estructuralmente, para contener y soportar el terreno expuesto y
operacionalmente, para proporcionar una superficie interna que sea adecuada a
las funciones del túnel.
Podemos encontrar revestimientos permanentes, cuando han sido especificados e
incorporados en los cálculos de diseño, y temporales cuando los proporciona el
contratista según sean necesarios para la seguridad de la construcción.
Atendiendo a su extensión, el revestimiento puede ser completo (contrabóveda,
hastiales y bóveda), o parcial, de no tener función estructural (paneles). En caso
de necesidad, por acciones externas, el mismo debe ser continuo y estanco.
Puede además requerirse por razones de seguridad: ventilación, resistencia al
fuego, a impactos, por confort, iluminación, entre otras.

Capítulo I
27
Los requisitos principales que deben cumplir los revestimientos estructurales
permanentes son:
1. Proporcionar el apoyo estructural necesario.
2. Controlar o eliminar la entrada o escape del agua.
3. Ajustar la sección transversal de operación.
Soporte: Revestimiento:
Conjunto de elementos instalados en
la excavación con función de soporte
estructural (temporal).
Elementos típicos:
- Hormigón proyectado
- Bulones, cerchas, mallazos
Capa interna, contigua al
sostenimiento, con función estructural
o no, con carácter de acabado
definitivo.
Elementos típicos:
- Hormigón proyectado
- Hormigón encofrado, armado o en
masa
Tabla 1.1 Principales diferencias entre Sostenimiento y Revestimiento
El diseño del sostenimiento está definido generalmente por métodos geofísicos o
geológicos. El diseño del revestimiento es completamente estructural.
1.4.1 Sostenimientos y revestimientos de túneles utilizados en Cuba
En Cuba se han construidos varios túneles, los cuales se han sostenido de forma
tradicional con hormigón armado fundido In Situ y Prefabricado. Siempre basados
en procedimientos geológicos, en los cuales se consideran solamente las acciones
de las rocas13
en su estado natural.
13
Para la realización de la presente investigación resultará necesario tener en cuenta también el impacto de
los sismos, ya que numerosos estudios han demostrado que la ocurrencia de los mismos actúa
negativamente sobre las estructuras enterradas. Por demás, en la zona oriental, enclave del Trasvase Este-
Oeste se evidencian movimientos telúricos considerables.

Capítulo I
28
El sostenimiento que se utiliza en los trasvases es el especificado en el Método
Noruego de Tunelado, el cual es una de las últimas tecnologías introducidas en
Cuba en este sentido, la misma se basa en la clasificación geomecánica de las
rocas por el método de Q de Barton.
Es muy común en muchos túneles que atraviesan macizos de rocas muy buenas
que los diseñadores tomen el sostenimiento como revestimiento definitivo, debido
a la baja necesidad de revestimiento en este tipo de roca. En el caso de los
túneles que no cuentan con rocas de esta calidad si se encuentran diferenciados y
generalmente se utilizan como revestimiento, elementos prefabricados de
hormigón armado y en el caso particular de los túneles hidráulicos se utiliza
hormigón armado fundido In Situ.
1.5 Particularidades y funciones del revestimiento estructural en túneles.
Para la Ingeniería Civil, el revestimiento es el elemento constructivo que recubre la
estructura portante o los cerramentos de una edificación. En túneles, es la parte
estructural del sostenimiento de éstos, encargada de soportar las tensiones y
mantener la integralidad geométrica y estructural.
Los revestimientos pueden cumplir funciones muy diversas, aunque las principales
son las de aislamiento (térmico y acústico) y la ornamental. En este ámbito se
incluyen una gran variedad de soluciones, que pueden adoptarse por su nobleza
decorativa, economía, facilidad de montaje, resistencia o funcionalidad.
Cuando el revestimiento no resulte directamente de exigencias estructurales sus
funciones serán, entre otras, facilitar la ventilación natural, garantizar la
regularidad geométrica de la sección, evitar la degradación de la roca expuesta;
mejorar la impermeabilización; en estos casos su espesor será el mínimo
compatible con exigencias tecnológicas y en el caso de los túneles es muy común
asumir el sostenimiento como revestimiento definitivo.

Capítulo I
29
Estos se encuentran divididos en dos grandes grupos, de acuerdo a su carácter
constructivo: continuos y discontinuos.
Los primeros se extienden en grandes planos sobre la superficie a recubrir, como
las pinturas o los revocos, y los segundos se disponen en pequeñas piezas
modulares hasta completar la extensión deseada, como en los alicatados y los
chapados.
Existe un revestimiento definitivo que debe garantizar el adecuado factor de
seguridad o la confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que
se estime le sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto.
El criterio de diseño siempre consistirá en elegir el revestimiento que mejor se
adecúe a las exigencias solicitadas en el proyecto.
Para aproximarse al enorme abanico de revestimientos existentes, basta con
enumerar algunos de los más usuales como alicatados, chapados de piedra,
enfoscados de mortero, papeles pintados, láminas de corcho o plástico,
guarnecidos y enlucidos de pasta de yeso, estucados, tablas de madera, chapas
metálicas, placas estratificadas, pinturas de distintas composiciones, revocos de
mortero, telas adheridas, pavimentos empedrados, terrazos, hormigón continuo,
asfaltados, moquetas, losetas de linóleo, PVC, goma u otros plásticos, baldosas
de barro cocido o gres, entarimados, parqués, adoquinados de piedra, baldosas
hidráulicas, techos de escayola y tela metálica, placas acústicas de escayola,
conglomerados o metal y artesonados, entre otros muchos.
Otros tipos de revestimientos de túneles que podemos encontrar:
 Revestimientos sin armar:
Cuando los cálculos estructurales muestran que el revestimiento está sometido a
compresiones y/o a tracciones que no excedan la capacidad del hormigón, el
revestimiento puede dejarse sin armar, siempre que no se necesite una alta
impermeabilidad.

Capítulo I
30
 Revestimiento armado:
En Cuba generalmente solo se diseña el revestimiento en túneles cuando los
sostenimientos especificados no son capaces de cumplir las exigencias de
proyecto o aparecen condiciones no previstas en el método empírico utilizado,
estos diseños no siguen una metodología determinada.
1.6 Diseño del revestimiento estructural de túneles
Es necesario hacer mención en el presente epígrafe de la poca información y
bibliografía existente específicamente sobre el diseño del revestimiento de túneles,
sean los mismos hidráulicos o no. En las pesquisas realizadas y la posterior
revisión documental, se encontraron escasos estudios relativos al diseño del
revestimiento, carentes en la mayoría de los casos de referentes teóricos
sistemáticos sobre el tema, por consiguiente, lo que exponemos en este epígrafe
constituye además una aportación del presente trabajo de diploma al campo
teórico, investigativo y práctico de la ingeniería civil en esta esfera.
En la mayoría de los países del mundo en los que se practica el revestimiento de
túneles como parte de la construcción de los mismos o como una acción de
conservación posterior, no existe una metodología que sistemáticamente regule el
diseño del revestimiento estructural de un túnel. Alrededor del orbe se trabaja con
métodos numéricos soportados en software de análisis.
En casi todos los países son los ingenieros civiles o los geólogos, que posterior a
un estudio de suelos –en el que actualmente se incluyen datos referentes a los
sismos y a cómo se relacionan los mismos con estas estructuras soterradas-
proponen el diseño más eficiente a seguir. Los datos obtenidos en estas
pesquisas que anteceden a la construcción de los túneles, se introducen en
diferentes softwares de modelación que automáticamente brindan los estados
tensionales y de deformación en dependencia del modelo de comportamiento del
suelo fijado, teniendo en cuenta todas las variables que se le proporcionan según

Capítulo I
31
los criterios del proyectista. Para la utilización de estos métodos se utilizan
también los métodos empíricos como base para el diseño inicial.
Gianfranco Perri - Profesor de Diseño de Túneles en la Universidad Central de
Venezuela- expone que el soporte y revestimiento de los túneles deben ser
diseñados de manera tal que posean un comportamiento eficiente, sean
constructivamente factibles y económicamente rentables, para lo cual en principio
estarán caracterizados por una forma geométrica compatible con eventuales
exigencias de uso.
El revestimiento definitivo, debe garantizar el adecuado factor de seguridad o la
confiabilidad establecida para la obra, absorbiendo las cargas que se estime, le
sean aplicadas a largo plazo, según los criterios definidos al respecto.
A pesar de las diferencias ya explicitadas entre el sostenimiento y el revestimiento,
actualmente en la construcción, cada vez más, prolifera el empleo de un
revestimiento único que desempeña ambas funciones, al quedar instalado
definitivamente durante la etapa de excavación.
En su tesis de grado, el ingeniero mexicano Pablo Gutiérrez (2014) expone que
independientemente de la opción de revestimiento a diseñar y aplicar, las mismas
deben tener en cuenta la magnitud y distribución de la presión que ejerce el suelo
sobre la estructura de soporte.
Este requerimiento parte de la complejidad del fenómeno de interacción suelo-
revestimiento, cuya solución aproximada puede obtenerse con modelos numéricos
de análisis que simulan la evolución del estado inicial de esfuerzos en el suelo
durante la excavación y la colocación del revestimiento; evolución que depende
tanto de las propiedades esfuerzo-deformación de la masa de suelo como del
material del revestimiento y del proceso constructivo que se siga para su
colocación.

Capítulo I
32
Los factores a tener en cuenta para la distribución de presiones14
alrededor del
revestimiento son en esencia los siguientes:
 Estado inicial de esfuerzos en la masa de suelo.
 Resistencia al corte y deformabilidad del suelo.
 Procedimiento de excavación y de colocación del revestimiento primario.
 Tipo y rigidez del revestimiento primario, y del secundario en su caso.
 Evolución de los esfuerzos en el suelo después de concluida la
construcción.
En Cuba se diseña el revestimiento estructural de túneles sobre la base del
empirismo, aunque se utilizan fórmulas para calcular las tensiones en el túnel a
revestir, no se sigue un procedimiento homogéneo para la construcción de este
elemento tan importante dentro de la estructura subterránea.
Conclusiones
A estas alturas nos encontramos en condiciones de enunciar que para los efectos
de esta investigación los túneles son estructuras subterráneas de carácter lineal,
cuyo objeto es la comunicación de dos puntos, para realizar el transporte de
personas, materiales entre otras cosas. Son edificaciones muy antiguas que han
visto numerosas evoluciones en cuanto a su diseño y tecnología a lo largo de la
civilización. Entre sus principales usos se encuentran el de transporte (de
materiales o seres vivos) y el almacenamiento; aunque existen numerosos
métodos de perforación, sostenimiento y revestimiento el más utilizado en Cuba
actualmente es el Método Noruego de Tunelado.
14
La presión radial ejercida por el suelo es el resultado de un proceso de interacción entre este y la estructura
de soporte, lo cual implica que los desplazamientos radiales en la frontera de ambos medios deben ser
compatibles; por ello, es necesario conocer cómo se desarrollan los desplazamientos durante el proceso de
construcción, para comprender la influencia de cada factor en el comportamiento del sistema suelo-
revestimiento. (Gutiérrez, 2014)

Capítulo I
33
No existe historia definida de los métodos de diseño de túneles. Se trata el diseño
como un complemento de los avances tecnológicos en las investigaciones
ingeniero-geológicas. En el caso del diseño del revestimiento el panorama es
bastante similar al descrito anteriormente.
Es vital mencionar que existe muy poca bibliografía sobre los túneles existentes en
Cuba, que detallen los métodos usados en su diseño, excavación, sostenimiento y
revestimiento.
Se evidenció además que en las investigaciones existentes, los túneles en Cuba,
al menos los consultados durante nuestras pesquisas, no se diseñan
sísmicamente, lo que ocasiona incertidumbre al tener que enfrentar las
afectaciones que se producen en estas edificaciones a partir de los sismos.
Después de haber revisado todos estos contenidos, nos encontramos en
condiciones de plasmar y analizar los resultados obtenidos de la aplicación de los
métodos y técnicas establecidos en la introducción, de este informe, para
confeccionar la metodología para el diseño del revestimiento de túneles. Lo
anterior será realizado en el Capítulo II del presente informe.

Capítulo II PROPUESTA DE UNA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL
34
En el Capítulo precedente de este informe, realizamos una breve visita a la historia
y evolución de los túneles, sus usos y métodos constructivos. También se abordó
sobre el desarrollo del diseño y su vinculación con las formas de construcción a
utilizar. Se establecieron las principales características del revestimiento como
elemento estructural en este tipo de edificaciones.
Con esta antesala, es momento entonces de entrar en la confección de la
propuesta de la metodología de diseño para el revestimiento estructural de túneles
en rocas malas o muy malas.
Para ello será necesario sistematizar los conocimientos existentes sobre el
revestimiento de túneles en lo referente al diseño geotécnico, las formas
geométricas de los túneles y los estados de cargas en los mismos, así como lo
regulado por las Normas Cubanas, relacionado con los materiales de la
construcción. Para posteriormente, pautar en un procedimiento uniforme el
revestimiento de estas edificaciones de acuerdo a la tecnología existente en el
país, que tenga en cuenta todos los elementos especificados a lo largo del
Capítulo II, propiciando así que lo anterior se desarrolle, en toda ocasión, de
acuerdo a los parámetros correctos.
2.1- Diseño geotécnico de túneles
El estudio geotécnico en la construcción de los túneles persigue prever el
comportamiento mecánico del macizo rocoso cuando se le sometan
modificaciones al estado tensional de equilibrio, como consecuencia de la
construcción. Las características intrínsecas de las rocas matrices, su disposición
estructural natural, el estado de fracturación y la presencia de agua así como de
posibles discontinuidades o accidentes geológicos singulares son algunos de los
factores que responden por ello.
En cada proyecto se necesita una definición geotécnica que debe abarcar cuatro
aspectos indispensables:

35
 Características intrínsecas del material básico.
 Evaluación de las discontinuidades.
 Respuesta esperable de la roca matriz.
 Respuesta final esperable del macizo.
En Cuba, para el análisis geotécnico del túnel, se utilizan diferentes criterios
semiempíricos que se reportan en la literatura técnica especializada, con el
propósito de determinar valores que deberán ser aplicados al sistema de soporte
de los túneles.
Usualmente se usa el índice Q o la clasificación RMI de resistencias estimadas de
roca (R0 a R6)15
.
Para el diseño de túneles, después de un estudio geotécnico minucioso, se hace
necesario el uso de métodos como:
 Clasificación de Barton.
La clasificación cuantitativa basada en el índice Q, desarrollada por Barton y otros
en 1974, a partir de un conjunto de datos procedente de distintos casos reales. La
misma establece una clasificación que se obtiene a partir de la siguiente
expresión, la cual considera 6 parámetros procedentes de la observación del
macizo rocoso:
SRF
Jw
Ja
Jr
Jn
RQD
Q 
Estos parámetros son:
:RQD Índice de fracturación.
15
Ver Anexo 1

36
:Jn Índice de diaclasado- Considera la cuantía de la fracturación.
:Jr Índice de rugosidad- Contempla la rugosidad, presencia de relleno y
continuidad de las juntas.
:Ja Índice de alteración- Contempla el grado de alteración de las juntas.
:Jw Coeficiente reductor por la presencia de agua.
:SRF Stress Reduction Factor- Coeficiente que tiene en cuenta la influencia del
estado tensional en el macizo.
Las relaciones formadas con estos parámetros en la ecuación representan:
Jn
RQD
: el tamaño de los boques.
Jw
Ja
Jr
: resistencia al corte entre los bloques
La clasificación de Barton ha sido muy bien contrastada con la calidad de las rocas
existentes y los sostenimientos aplicados en diferentes casos reales. Por ello este
procedimiento junto con el propuesto por Bieniawski ha alcanzado una gran
popularidad, a tal punto que hoy constituye un referente esencial en el diseño de
obras subterráneas.
Para determinar el diámetro equivalente del túnel ( DE ) utilizamos la siguiente
relación:
ESR
alturaontosostenimiesinVano
DE 

37
El parámetro ESR16
de la relación anterior modifica el valor real del ancho de la
excavación, introduciendo un factor de seguridad.
A continuación se reflejan los criterios de valoración de estos parámetros. El rango
de variación del índice o está entre 0.001 y 1.000. Este intervalo se ha dividido en
9, que han dado lugar a la siguiente clasificación cualitativa.
Entre 0.001 y 0.01 : roca excepcionalmente mala
Entre 0.01 y 0.1 : roca extremadamente mala
Entre 0.1 y 1 : roca muy mala
Entre 1 y 4 : roca mala
Entre 4 y 10 : roca media
Entre 10 y 40 : roca buena
Entre 40 y 100 : roca muy buena
Entre 100 y 400 : roca extremadamente buena
Entre 400 y 1000 : roca excepcionalmente buena
La clasificación de Barton que se acaba de describir, es la más completa y
sofisticada de las existentes actualmente. No están suficientemente contrastadas,
con casos reales de excavación de túneles, -posteriormente a su publicación- las
predicciones que se hacen de la presión sobre el sostenimiento y el
dimensionamiento de éste.
Ver Anexo 7.

38
 Clasificación de Bieniawski de 1979 (RMR).
El índice de calidad del macizo rocoso conocido como RMR (Rock Mase Rating)
desarrollado por Bieniawski en 1979, se determina a partir de la suma de 5
parámetros que permiten clasificar la roca en cinco categorías diferentes para las
que se indican: tiempo en que puede mantener una determinada longitud de
excavación sin entibar, cohesión y ángulo de rozamiento interno, orientativos del
macizo para cada categoría.
Los parámetros para la obtención del RMR son:
a. Resistencia de la roca matriz.
b. Separación entre diaclasas.
c. Estado de las diaclasas.
d. Presencia de agua.
e. Disposición de las juntas con respecto a la excavación.
Y la expresión que lo define:
RMR= a + b + c + d + e
Las categorías de roca en función del valor del RMR, son las siguientes:
I Roca muy buena : RMR entre 81 y 100
II Roca buena : RMR entre 61 y 80
III Roca media : RMR entre 41 y 60
IV Roca mala : RMR entre 21 y 40
V Roca muy mala : RMR menor que 20

39
 Clasificación de Palmstrom (RMI).
El RMI es un parámetro volumétrico que indica, de forma aproximada, la
resistencia uniaxial a compresión de un macizo rocoso. Su determinación depende
del estado de las rocas.
Para rocas diaclasadas. Para las masivas.
JPxRMI c  fxRMI 
donde:
:c es la resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta.
:JP es el parámetro que determina el diaclasado e incorpora los principales
rasgos del macizo rocoso. Sus valores se pueden encontrar en tablas o
determinarse por la ecuación:
D
VbxJCJP 2.0 para 2.0
37.0 
 JCD
El factor de estado o condición de las diaclasas ( JC ), relaciona el de tamaño y
continuidad de las diaclasas  jL , con la rugosidad  jR y el grado de alteración
de las juntas jA ; a través de la expresión:







jA
jR
jLJC
Para el caso de las rocas masivas, el parámetro f representa la masividad de la
roca. El mismo se estima por la ecuación:
  2.0
05.0
Db
f 
la que representa un ajuste por el efecto de escala en la resistencia a la
compresión en una roca masiva.

40
De acuerdo con dicho parámetro: existen rocas masivas cuando mDb 2
aproximadamente, para el cual 5.0f . Cuando fJP (esto es cuando 5.0JP
aproximadamente) se utiliza la ecuación para rocas diaclasadas.
A partir de considerar diferentes valores del RMI Palmstrom (2000), establece la
siguiente clasificación:
RMI < 0.01. Muy bajo.
RMI = 0.01 – 0.1. Bajo
RMI = 0.1 – 1. Moderado
RMI = 1 – 10. Alto
RMI > 10. Muy alto
El sostenimiento calculado por estos métodos constituyen, a la vista de muchos
autores, una solución aproximada, muy útil para estimar los costos y como un
punto de partida para el desarrollo de una solución mejor. La precisión de los
mismos dependerá también en cierta medida de la experiencia del diseñador. Para
el caso de rocas buenas son bastante precisos, no tanto cuando el macizo
empieza a presentar valores de roca de regular a malos o muy malos.
Algunas de las deficiencias por las cuales no debe considerarse el sostenimiento
calculado por estos métodos como solución definitiva serían las siguientes:
- Generalmente no permiten cuantificar los coeficientes de seguridad de los
elementos del sostenimiento.
- No permiten tener en cuenta el efecto del estado tensional de la roca luego de
excavarse, análisis del efecto de intemperismo.
- No permiten considerar el efecto de la forma del túnel.

41
- No permiten considerar los efectos de la formas de excavación.
- No tienen en cuenta los efectos de sitio.
- No se analizan otras acciones tensionales que puedan actuar sobre el túnel.
Después de analizados los métodos para calcular y clasificar los macizos rocosos,
por su mayor nivel de profundidad y exactitud, su perdurabilidad en el tiempo y el
nivel de perfeccionamiento que los mismos han alcanzados, tendremos en cuenta
para la elaboración de la metodología los métodos de clasificación Q de Barton y
el de Bieniawski (RMR).
2.2- Materiales utilizados.
Para la construcción y revestimiento de los túneles se utilizan materiales17
cuyas
especificaciones se han sistematizado con arreglo a la experiencia acumulada a
través de los años y el consecuente perfeccionamiento de la tecnología.
Existen numerosos materiales de la construcción que se utilizan en la edificación
del revestimiento de los túneles, específicamente en el caso de la presente
investigación tomaremos en consideración los siguientes:
 Hormigón armado
 Hormigón con fibras
 Bulones
 Aditivos
En cada caso se revisará la bibliografía general y lo regulado por las Normas
Cubanas de la Construcción. En general los materiales de construcción a utilizar
17
Los materiales de construcción son materias prima o productos manufacturados, empleado en la
construcción de edificios u obras de ingeniería civil.

42
dependerán en gran medida del método de construcción adoptado y la tecnología
disponible.
2.2.1-Hormigón armado
El Hormigón armado18
, por definición, es la combinación del hormigón simple con
acero de refuerzo, este tipo de hormigón se utiliza en la construcción de
elementos estructurales. Es un material heterogéneo, formado por hormigón y
armadura de acero.
La Norma Cubana 207 2003 establece que el Hormigón armado es:
“Hormigón reforzado con al menos la cantidad mínima requerida por esta
norma, pretensado o no, y diseñado dando por hecho que los dos materiales
(hormigón y refuerzo) actúan conjuntamente para resistir las solicitaciones.”
2.2.2-Hormigón con fibras.
Los hormigones reforzados con fibras son aquellos que, para mejorar alguna
propiedad, incluyen en su composición fibras cortas, discretas y distribuidas
aleatoriamente en la masa. Las fibras pueden ser de acero, poliméricas o de
vidrio.
El uso del Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) puede ser:
18
La invención del hormigón armado se atribuye al constructor William Wilkinson, quien solicitó en 1854 la
patente de un sistema que incluía armaduras de hierro para «la mejora de la construcción de viviendas,
almacenes y otros edificios resistentes al fuego». En el 1855 Joseph-Louis Lambot publicó el libro «Les bétons
agglomerés appliqués á l'art de construire» (Aplicaciones del hormigón al arte de la construcción), en donde
patentó su sistema de construcción, el cual consistía en una lancha de remos fabricada de hormigón armado
con alambres. François Coignet en 1861 ideó la aplicación en estructuras como techos, paredes, bóvedas y
tubos. A su vez el francés Joseph Monier patentó varios métodos en la década de 1860. Con el transcurso de
los años y el desarrollo de la tecnología y las investigaciones, el hormigón armado como material de
construcción se ha generalizado alrededor del mundo, constituyéndose en uno de los más importantes
elementos en un proceso constructivo.

43
Estructural:
Se tiene en cuenta en el cálculo de la estructura por lo que, la adición de fibras
puede implicar la sustitución total o parcial de armadura en algunas aplicaciones.
La tipificación del hormigón en el proyecto deberá considerar: dosificación de
fibras en kg/m³ y el tipo, dimensiones, forma y resistencia a tracción de la fibra.
No Estructural:
El uso de las fibras tiene como fin mejorar la resistencia al fuego del hormigón o
controlar la fisuración.
Aplicación:
 Sostenimiento de túneles y taludes.
 Revestimiento definitivo de túneles y taludes.
 Para la produccion de Prefabricado.
 Pisos y pavimentos.
Se hace necesario aclarar que no existe una norma cubana específica para el
Hormigón Reforzado con Fibras, uso y especificaciones.
2.2.3-Bulones
Los bulones son elementos lineales de refuerzo que se colocan dentro de un
taladro efectuado en la pared de roca y se adhieren a ésta por un procedimiento
mecánico o por medio de una sustancia adherente.
Además de ejercer un papel de suspensión de rocas sueltas, el bulonaje19
puede
ejercer cierto papel consolidando terrenos descomprimidos como se muestra en la
figura siguiente.
19
Es una técnica de sostenimiento que, en esencia, consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de
material resistente que aporta una resistencia a tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar
las características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento.

44
Leyenda
1. Cabeza de un anclaje
2. Barra
3. Extremo roscado
4. Placa de reparto
5. Tuerca de apriete
6. Zona de terreno resistente
7. Terreno descomprimido a soportar.
Figura 2.1 Principio de acción de un bulón.
Se hace necesario aclarar que no existe una Norma Cubana definida que precise
el uso y las especificaciones de los bulones.
2.2.4-Aditivos
Son aditivos aquellas sustancias o productos que, incorporados al hormigón,
antes del amasado o durante el mismo (también en el transcurso de un amasado
suplementario) se agregan para producir una modificación deseada, en una
proporción no superior al 5% del peso del cemento. Estas sustancias modifican
alguna de las características y/o propiedades habituales del cemento o de su
comportamiento, en estado fresco o endurecido.
Los utilizados hoy en día se pueden clasificar como en:
-Acelerantes
-Plastificantes (fluidificantes reductores de agua)
-Superfluidificantes (para la producción de hormigón y mortero fluido como
reductor de agua)
- Superfluidificantes-Retardadores (para la producción de hormigón y mortero
fluido retardado)
- Impermeabilizantes (para hormigones y morteros impermeables)

45
- Estabilizadores (para estabilizar hormigones y morteros hasta 40 horas)
- Reductores de rechazo
- Reductores de polvo
La Norma Cubana 250: 2005 establece que:
”Para que los aditivos sean eficaces y no perjudiciales hay que emplearlos en
determinadas dosis. Sus dosificaciones deben ser hechas por técnicos
experimentados y ensayados previamente en el laboratorio para verificar sus
propiedades y conocer sus posibles efectos secundarios.”
2.3- Forma geométrica del túnel.
La forma geométrica del túnel o su sección transversal ha cambiado desde las
formas rectangulares de las primeras excavaciones manuales hasta las más
variadas. En general la forma geométrica del túnel depende en gran medida del
tipo de roca, de la función del túnel y de la tecnología a utilizar en su construcción.
Otro factor a considerar es la proximidad de otros túneles o excavaciones, las
intersecciones, fallas geológicas o cambios del tipo de roca.
En muchos de los materiales revisados sobre el tema que nos ocupa no se brinda
importancia a la forma geométrica y solo se indican que la escogida para la
construcción debe cumplir las condiciones de rigidez requeridas; para nuestro
caso es vital la forma debido a su comportamiento estructural. En la mayoría de
las bibliografías se refiere a la forma circular como la más idónea, en
publicaciones más recientes se recomienda la forma ovoidal20
como se explicó
anteriormente.
El cambio de forma se debe al resultado del estudio de Pashkin de más de 2000
derrumbes en túneles y obras subterráneas, donde encontró que la envolvente de
20
El ovoide es una curva cerrada plana conformada por cuatro arcos de circunferencia: uno de ellos es una
semicircunferencia y otros dos son iguales y simétricos. Posee dos ejes ortogonales, denominados mayor y
menor. Tiene cuatro centros de curvatura. A diferencia del óvalo, sólo tiene un eje de simetría

46
todos ellos es una parábola. Como el replanteo de la parábola resulta muy
incómodo, se adoptó la parte superior del ovoide con una figura muy próxima a
ella y de un replanteo mucho más simple. Esta figura, aunque de características
hidráulicas muy inferiores a la circular ha resultado mucho más estable y
económica.
2.4- Estados de cargas
Teniendo en cuenta la Norma Cubana 450 del 2006 de Combinaciones de carga,
se hará una determinación de sus términos y símbolos para su uso en el diseño
del revestimiento en túneles.
 Carga permanente (G)
 Considera el peso propio de la estructura del revestimiento y los empujes
de la tierra.
G1→Suelo saturado. Se considera el túnel por debajo del nivel freático.
G2→Suelo natural. Se considera el túnel por encima del nivel freático.
 Carga sísmica (E)
 Se consideran las ondas de compresión u ondas P y las ondas de
cortante u ondas S:
Las ondas de compresión producen movimientos paralelos a su dirección de
propagación mientras que las ondas de cortante generan movimientos
perpendiculares. En el caso de los túneles se consideran estas cargas actuando
en el sentido transversal.
 Carga de fluido (F)
 Se considera la presión ejercida por el fluido interno del túnel.

47
F1→Presión. Considera el túnel trabajando con la sección llena con una
presión hidrostática dada por la condiciones del túnel.
F2→Libre. Considera el túnel trabajando con la sección llena pero con
presión normal.
Dentro de las cargas permanentes se consideran las de empuje del suelo en
estado saturado y en estado natural además del peso propio de la estructura.
En el caso de la carga sísmica se considera el incremento del empuje activo del
suelo debido al efecto del sismo.
Para el caso de la carga debido al fluido se consideran tres posibilidades:
1- La sección del túnel trabajando a presión, o sea lleno y con presión
adicional por una columna de agua, esto es aplicable a los túneles que son
descargas directas de presas o reservas de agua donde el túnel se
encuentra a varios metros por debajo del nivel da agua
2- La sección del túnel trabajando a conducción libre
3- El túnel sin fluido.
Combinaciones básicas de cálculo
Las estructuras y componentes estructurales deben diseñarse para las
solicitaciones de cálculo o factorizadas obtenidas con las siguientes
combinaciones básicas:
1) 1,4 (G1 + F1) 7)1,2 (G1 + F 1)+1.4E
2) 1,4 (G1 + F2) 8) 1,2 (G1 + F 2)+1.4E
3) 1,4 (G1) 9)1,2 G1 +1.4E
4) 1,4 (G2 + F1) 10) 1,2 (G2 + F 1)+1.4E

48
5) 1,4 (G2 + F2) 11) 1,2 (G2 + F 2)+1.4E
6) 1,4 (G2 ) 12) 1,2 G2 +1.4E
2.5- Diseño sísmico de estructuras subterráneas.
Todas las estructuras que se construyen bajo tierra deben diseñarse de manera
que resistan las cargas del terreno tanto en condiciones de trabajo normales como
las deformaciones inducidas por el sismo de diseño.
Aunque esta consideración es relativamente nueva en la comunidad ingenieril,
pues hasta hace muy poco tiempo se consideraba que las estructuras enterradas
no debían diseñarse para resistir esfuerzos sísmicos, es una tesis probada en la
actualidad que ha ido ganando fuerza dentro del diseño de túneles.
La falla de la estación del metro de Daikai, en Kobe, Japón, durante el terremoto
que asoló a esa región en 1995, fue el detonante para el cambio de paradigma21
en lo referente al diseño de túneles, apaleando a las modificaciones que puedan
inducir los eventos sísmicos.
Teniendo en cuenta que la presencia de una estructura modifica las
deformaciones del terreno en la que se encuentre, los cálculos de deformación
sísmica deben incluir la interacción suelo-estructura. Por lo anterior las estructuras
enterradas son vulnerables a las deformaciones sísmicas inducidas por los
terremotos y debe ser diseñadas con suficiente ductilidad para que puedan
absorber las deformaciones inducidas por el sismo sin sufrir daños considerables.
En términos generales, las deformaciones transversales son las más críticas
comparadas con las longitudinales.22
Se han realizado sobre esta temática diferentes estudios como los de:
21
Hasta hace relativamente poco, la percepción dentro de la comunidad de ingeniería era que las estructuras
enterradas no necesitaban diseñarse para resistir esfuerzos sísmicos porque éstas se mueven con el terreno
debido a su menor masa comparada con la del terreno circundante, y por lo tanto no experimentan esfuerzos
significativos.
22
Ver Anexo 8.

49
“Dowding y Rozen que en 1978 estudiaron la respuesta de 71 túneles
sometidos a movimientos sísmicos (…) en 42 túneles. El número de
observaciones fue incrementado por Owen y Scholl (1981) con 56 nuevos
túneles. La base de datos se amplió todavía más gracias a Sharma y Judd
(1991), quienes recabaron información en 192 túneles con 85 temblores
ocurridos en todo el mundo; en 94 casos (…).
La vulnerabilidad de las estructuras enterradas durante un evento sísmico
también fue reportada por Asakura y Sato (1996), quienes recopilaron un
gran número de casos de túneles de montaña en Japón; se observaron
diferentes niveles de daño en 124 de los túneles (…) observaciones
parecidas a las realizadas por Wang et al.(2001) quienes presentaron una
evaluación sistemática del daño en túneles de montaña durante el temblor
Chi-Chi de Taiwán; de los 57 túneles investigados, 49 resultaron dañados.”
(Bobet (a), 2011: 20)
Los estudios anteriormente mencionados no son todos los existentes, son solo
una mínima muestra, lo mismo evidencia que los efectos que causan los sismos
en las estructuras enterradas muestra inequívocamente que estas estructuras son
susceptibles al daño durante terremotos23
.
La información recopilada sobre el impacto de los sismos en las estructuras
soterradas se tuvo en cuenta en el diseño de la metodología, mediante el cálculo
del incremento dinámico de presión por el efecto sísmico.
2.6- Propuesta de metodología para el diseño del revestimiento de túneles
Ha llegado el momento de proponer una metodología para el diseño del
revestimiento de túneles, la misma es producto de la aplicación de las técnicas de
investigación esbozadas en el proyecto, que nos permitieron llegar a los
resultados hasta el momento expuestos en el presente Capítulo.
Como todo primer acercamiento concreto a una materia, la metodología que
proponemos está sujeta a comprobaciones, las que se efectuarán a través un
ejercicio demostrativo en el que se calcula el tipo de roca, en la que se proyectará
23
Ver Anexo 8.

50
el túnel, mediante el método de Clasificación de Barton. Lo anterior condiciona la
aplicación del Sistema Q del Método Noruego de Excavación de Túneles, el cual
proporciona una adecuada manera de seleccionar el sostenimiento óptimo a
emplear en los túneles, por lo que lo hemos escogido en este trabajo.
Proponemos una metodología compuesta por seis pasos fundamentales que no
deben obviarse en el diseño y construcción del revestimiento estructural de
túneles para rocas malas o muy malas:
Metodología propuesta para el diseño estructural del revestimiento de
túneles24
1. Definición de la forma geométrica: Es necesario tener toda la información
ingeniero geológica, el trazado del túnel, la finalidad del mismo y conocer la
tecnología con la que se va a construir. Como ya se explicó anteriormente
la forma geométrica que mejor comportamiento ha presentado es la ovoidal,
por lo cual se recomienda utilizar esta; desde otro punto de vista es una
forma difícil de modelar.25
2. Cálculo del sostenimiento por métodos geotécnicos: Consiste en diseñar un
sostenimiento por un método empírico, recomendamos dos de los
anteriormente explicados: Q de Barton y Bieniawski. Es muy común que
este diseño sea ejecutado por un geólogo.
3. Definición de los materiales a utilizar para el revestimiento: Se definen en
función de las características, vida útil y formas de utilización del túnel,
cuáles serán los materiales idóneos para la construcción del revestimiento
estos deben tener en cuenta la tecnología con que cuenta el país o la
región donde se va a construir.
24
Ver Anexo 14.
25
Teniendo en cuenta que el software que se utilizó para modelar fue el SAP 2000 (v 14) es necesario señalar
que esta figura es difícil de modelar ya que la misma no viene especificada dentro de las plantillas del
software por lo que hay que modelarla por puntos.

51
4. Cálculo de los estados de carga: Se calculan todas las cargas que pueden
actuar en el sistema. En esta metodología incluimos las cargas sísmicas.
5. Modelación del revestimiento y cálculo de las tensiones: Se modela el
sistema y se calculan las tensiones actuantes en sus elementos
componentes.
6. Diseño estructural del revestimiento de la sección: Con las tensiones
obtenidas en el paso anterior se diseña el revestimiento en función de la
forma y los materiales definidos según la normativa vigente. En este punto
es importante tener en cuenta la forma constructiva, la tecnología y la
propuesta por parte del diseñador de la secuencias de los trabajos.
2.7- Ejercicio demostrativo.
Diseñar el túnel 1 del Tramo Intermedio del Trasvase Norte-Sur de Guantánamo.
El mismo atravesará el macizo que separa las cuencas de los ríos Yateras y Caña.
Se tienen los resultados de las investigaciones ingeniero geológicas, el trazado y
las condiciones de entrada y salida26
.
El túnel debe conducir hasta 15 m³/s de agua, la entrada del túnel se encuentra en
la cota 120.46 y la salida en la cota 120.16; su función es entregar el agua desde
la presa Yateras hacia la Conductora del Tramo Intermedio. Trabajará como un
conducto a presión, debido a que el nivel de aguas normales de la Presa está en
la cota 139.00 y el nivel de aguas máximo está en la cota 141.00. La tecnología a
utilizar será la empleada en los trasvases, excavación con perforación y voladura,
sostenimiento inicial con hormigón lanzado y bulones, y cuando se requiera
reforzar con hormigón estructural.
1- Definición de la forma geométrica.
Para lograr su función sería suficiente una sección circular 2.90 metros de
diámetro o una sección ovoidal de 2.70 m; debido al equipamiento de construcción
26
Ver en Anexo 2 (figura 1 y 2)

52
la sección mínima para la ejecución será de 4.50 metros. Por lo tanto tendremos
un túnel con sección ovoidal de 4.50 x 4.50 metros interior como se muestra en el
Anexo 4. Luego para los cálculos por los métodos empíricos se utiliza la sección
de excavación, la cual sería tomando una sección transversal de alrededor de 5 a
6 % mayor que la obtenida en la sección asumida según el Anexo 4, debido a la
sobre excavación por el tipo de método constructivo a utilizar.
2- Diseño del sostenimiento por un método empírico
Para evaluar la estabilidad del macizo rocoso emplearemos las clasificaciones
geomecánica de Barton:
Partimos de la caracterización del informe ingeniero geológico de la roca. El túnel
se encuentra en su totalidad en la capa 4. La cual posee las siguientes
características:
Capa 4: Compuesta por aleurolitas con diferentes grados de meteorización, con
una coloración que varía desde abigarrado con tonos gris verdoso y amarillento
hasta gris azuloso oscuro en su estado mejor conservado, comportándose como
una roca muy sensible a los cambios de humedad, que clasifica de baja
resistencia en su estado natural, pudiendo llegar a la categoría de suelo al ser
expuesta a ciclos de humedad-sequedad. Su valor medio de resistencia a la
compresión axial es de 8.46 MPa en estado natural, cuando se intemperiza
cambia de roca a suelo, razón por la cual no se puede determinar en laboratorio
su resistencia en estado saturado.
Dadas las características atípicas de este material al ser expuesto a cambios de
humedad bruscos donde puede llegar a comportarse como un suelo, fue analizado
geotécnicamente como tal en una muestra, clasificando desde este punto de vista
como una arcilla limo-arenosa de baja compresibilidad, que según el Sistema
Unificado de Clasificación de Suelos corresponde a un suelo tipo CL.

53
El espesor máximo de esta capa sobre el techo de la excavación es de 21 m y lo
alcanza en el estacionado 0 + 440.01 y el mínimo (3 m) en el 0+860 cerca del
portal de salida.
Es de destacar la existencia frecuente dentro de esta capa de intercalaciones de
caliza y de areniscas de granos fino, con planos de fractura de entre 45º y 60º de
buzamiento.
Según las pruebas de filtración realizadas a esta capa la misma clasifica, según
SNIP: de impermeable a poco permeable.
La tabla 2.1 muestra un resumen de las principales propiedades físico-mecánicas
de estas rocas.
Propiedades UM
Capa 4
Aleurolitas.
Peso específico g/cm3
2.72
Densidad húmedo g/cm3
2.21
Densidad seca g/cm3
2.01
Porosidad % 26
Fricción interna Grados 27.9
Cohesión kPa 277
Resistencia a la
compresión seca
MPa 8.46
Resistencia a la
compresión saturada
MPa
-
Tabla 2.1. Resumen de las propiedades físico-mecánicas de la roca.
 Cálculo del sostenimiento por la Clasificación de Barton.
La clasificación cuantitativa basada en el índice Q, establece una clasificación que
se obtiene a partir de la siguiente expresión, la cual considera 6 parámetros
procedentes de la observación del macizo rocoso:
SRF
Jw
Ja
Jr
Jn
RQD
Q 

54
Estos parámetros son:
:RQD Índice de fracturación.
:Jn Índice de diaclasado.
:Jr índice de rugosidad.
:Ja índice de alteración
:Jw coeficiente reductor por la presencia de agua.
:SRF factor de reducción por esfuerzos (Stress Reduction Factor)
Las relaciones formadas con estos parámetros en la ecuación representan:
Jn
RQD
: el tamaño de los boques.
Jw
Ja
Jr
: resistencia al corte entre los bloques
SRF : la Influencia del estado tensional.
Cuando no se dispone de sondeos como es el caso que nos ocupa o la calidad de
estos resulte dudosa, se puede emplear la formula aproximada propuesta por
Palmstron:
JvRQD 3.3115
dónde:
:Jv Número total de juntas por m3
, que se obtiene sumando las juntas que hay por
metro, de cada familia de la existente en el lugar. En nuestro caso, el
levantamiento geológico arrojó un promedio de 25 grietas por metro cuadrado de
afloramiento en rocas aleuroliticas ( 25Jv ). Por lo que para las aleurolitas con un
%35RQD , el macizo en general es de mala calidad.

Propuesta de una Metodología para el Diseño del revestimiento estructural de túneles en rocas malas o muy malas.

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