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Importancia de los túneles en el desarrollo de infraestructura/14

Multi-mode TBM Tecnología flexible para suelo altamente variable/29

50 AÑOS de tuneleo en suelos blandos, en ICA/21

Determinación del rendimiento de tuneladoras (TBM) en roca mediante el método de regresión multivariable y el método RME de Bieniawski/32

Vector

Nº 60 Diciembre 2013 Costo

$ 50.00


La construcción del Túnel Emisor Oriente (TEO) es considerada la obra de drenaje más grande del mundo, a cargo del consorcio mexicano COMISSA.

Constructora Mexicana de Infraestructura Subterránea S.A. de C.V. (COMISSA) Av. Central S/N, Renovación Jajalpa, C.P. 55040, Ecatepec de Morelos, Estado de México Teléfonos: 51 16 87 34, 51 16 76 97, 51 16 77 35


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Vector Diciembre 2013

Indice

En portada

AMIVTAC

•Ingeniería Civil del Siglo XXI — COMISSA—Túnel Emisor Oriente TEO/4

Instituto Mexicano de la Construcción en Acero

•Empresas y empresarios

—ICA Ingeniería—Importancia de los túneles en el desarrollo

de infraestructura/14

—HERRENKENECHT—Multi-mode TBM. Tecnología flexible

para suelo altamente variable/29

•Suplemento especial

—50 AÑOS de tuneleo en suelos blandos, en ICA/21

•Infraestructura

—Determinación del rendimiento de tuneladoras (TBM) en roca

mediante el método de regresión multivariable y el método RME

de Bieniawski/32

•Ingeniería Civil Mexicana

•Ingeniería Civil del Siglo XXI HERRENKENECHT—Otro logro pionero extraordinario: Túnel Hallandsås/8

—Análisis y diseño del soporte inicial mediante anillos de dovelas,

para el tramo VI del TEO, entre las lumbreras L-23A y L-24A/40

•Libros

—Diseño Geotécnico de Túneles/48

www.revistavector.com.mx comunicar para servir


Editorial Cozumel # 63-A • Col. Roma Norte C.P. 06700 México, D.F. Tel. (55) 5256 1978

Carlos Arnulfo López López Leopoldo Espinosa Benavides José Rafael Giorgana Pedrero Roberto Avelar López Manuel Linss Luján Jorge Damián Valencia Ramírez Enrique Dau Flores CONSEJO EDITORIAL Raúl Huerta Martínez DIRECTOR GENERAL Daniel Anaya González DIRECTOR EJECUTIVO Patricia Ruiz Islas DIRECTORA EDITORIAL Daniel Amando Leyva González JEFE DE INFORMACIÓN Ana Silvia Rábago Cordero COLABORACION ESPECIAL Historia de la ingeniería civil

Alfredo Ruiz Islas CORRECCIÓN DE ESTILO Nallely Morales Luna DIRECTORA DE DISEÑO Iman Diseño

Ana B. Marín Huelgas Marissa Alejandro Pérez DISEÑO GRÁFICO

Ernesto Velázquez García DIRECTOR DE DISTRIBUCIÓN Aide Celeste Cruz Martínez WEB MASTER Carlos Hernández Sánchez DIRECTOR DE PROYECTOS ESPECIALES

Construcción de túneles Un túnel es una obra subterránea, normalmente artificial, de carácter lineal, cuyo objeto es la comunicación de dos puntos para el transporte de personas y materiales. Aunque generalmente sirven para el tránsito de vehículos o trenes, o para un canal, algunos son construidos para el transporte de agua, para aprovechamiento hidroeléctrico o para el saneamiento e inclusive, algunos son útiles para el paso de ciertas especies de animales. Es fundamental que la construcción de cualquier túnel comience con una investigación sobre las condiciones del terreno, cuyos resultados nos permitirán determinar cuál es la maquinaria y los métodos de excavación y sostenimiento más adecuados y reducir los riesgos de encontrar condiciones desconocidas. En el caso de túneles en roca, por la variabilidad de los distintos factores que intervienen, es frecuente abordar su estudio mediante las llamadas clasificaciones geomecánicas. Los sistemas habituales de excavación subterránea son medios mecánicos, voladuras y manual. El método cut and cover es un método de construcción de túneles superficiales y existen dos formas de realizarlo: el método bottom up donde se excava a cielo abierto la totalidad del hueco ocupado por el túnel y se construye en el interior; y el método top down que se emplea sobre todo para la construcción de túneles en el interior de las ciudades y requiere de poca maquinaria especializada. Con el nuevo método austriaco 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 pipe jacking se usa cuando existen estructuras encima que no se quieren dañar y consiste en empujar el tubo mediante gatos hidráulicos hacia el terreno. Las máquinas tuneladoras y los sistemas asociados hacen el método de excavación más automatizado. Existen una gran variedad de tuneladoras y hasta hace poco la mayor tuneladora jamás construida se usó en el “tunnel Groeene Hart” en Holanda, la cual tenía un diámetro de 14.87 metros, pero actualmente existen máquinas aún mayores y el record corresponde a la que se usa para excavar los túneles de base San Gotardo en Suiza, que tiene 19 metros.

Herminia Piña González DIRECTORA COMERCIAL

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“Es como el alunizaje de la construcción de túneles. Nadie más ha estado aquí antes que nosotros” Dr.-Ing. E.h. Martin Herrenknecht

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3 Punto de Origen

Myrna Contreras García DIRECTORA DE ADMINISTRACIÓN


Ingenier铆a civil del siglo XXI

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T煤nel Emisor Oriente

TEO Puesta en operaci贸n del primer tramo 10 Km Alberto Porras L贸pez Noviembre 07 de 2013


Gracias a la multiplicación de esfuerzos y recursos materiales fue posible la puesta en operación de este primer tramo, a partir del 13 de junio del presente año, que incluye adi-

cionalmente en su infraestructura, 12 captaciones de agua residual proveniente de las localidades vecinas a lo largo de su recorrido. Para lograr lo anterior, fue necesario modificar la logística de la Obra para que este primer tramo de 10 Km funcionara al 100% sin afectar la construcción del resto del túnel. Esto fue posible gracias a la incorporación al Proyecto de una Planta de Bombeo (“El Caracol”) que se construyó en las inmediaciones de la lumbrera L-05, zona donde termina el primer tramo del TEO, para captar el agua del túnel en este sitio y verterla en el Gran Canal para continuar su curso por gravedad hacia el Portal de Salida (PS). Esta planta de bombeo tiene una capacidad de operación de 40 m3/seg y se terminó de equipar completamente en el mes de abril del presente año.

5 Ingeniería civil del siglo XXI

C

omo parte de las acciones para mitigar los riesgos por inundaciones en el Valle de México, el Gobierno de la República ha dado celeridad a la conclusión del primer tramo del Túnel Emisor Oriente con una longitud aproximada de 10 Km, de un total de proyecto de 62 Km. Esta obra, una vez terminada en su totalidad, casi duplicará la capacidad que actualmente tiene la zona metropolitana para drenar el agua; el plan integral contempla conducirla desde la Delegación Gustavo A. Madero hasta la Planta de Tratamiento que se está construyendo actualmente en Atotonilco, en el Estado de Hidalgo. El túnel tiene un diámetro interior terminado de 7 m y una capacidad de 150 m3/seg.


Ingeniería civil del siglo XXI

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Para cumplir en tiempo con la meta establecida fue necesario, además de la construcción de la Planta de bombeo, adoptar nuevas estrategias de construcción del túnel mediante: a. Dividir el Tramo 1 en dos partes: subtramo 1A, y subtramo 1B. b. Utilización de dos tuneladoras EPB (Earth Pressure Balance) en este tramo: la primera proveniente de la lumbrera L-00, y una segunda que se introdujo en la lumbrera L-05 con dirección al sur hacia su encuentro con la primera. c. Construcción de una lumbrera adicional, denominada L-3A, de 16 m de diámetro y 42 m de profundidad, para la extracción de las dos tuneladoras. d. Instalación de una línea eléctrica adicional de media tensión para alimentación de la segunda tuneladora. Adicionalmente fue necesario reali-

zar trabajos auxiliares tales como la construcción de compuertas tanto en el fondo de la lumbrera L-05, como a la entrada a la Planta de Bombeo.

¿Por qué es importante esta primera etapa del TEO? Estos primeros 10 km ayudarán a conducir el agua en una de las zonas más críticas de la ciudad de México - correspondiente al tramo donde el Gran Canal perdió su pendiente natural por los hundimientos del Valle - desviándola hacia la Planta de Bombeo que la regresa nuevamente al Gran Canal, beneficiando principalmente a la Delegación Gustavo A. Madero, en el Distrito Federal, y a los municipios de Ecatepec y Nezahualcóyotl, en el Estado de México. Además, esta primera etapa dará la oportunidad

de contar parcialmente con una salida adicional al Túnel Emisor Central que opera ininterrumpidamente desde hace más de 35 años. En épocas de lluvias funcionarán a la par y en época de estiaje podrán operar de manera alterna lo que permitirá dar mantenimiento a las estructuras. Este punto es relevante ya que el Emisor Central fue diseñado de origen para conducir agua de lluvia en los picos de tormenta, y la realidad es que se ha utilizado también para manejar aguas residuales lo que ha propiciado su desgaste acelerado que se refleja en daños en el recubrimiento de concreto. Las reparaciones a estos daños requerirán varios años y un mantenimiento periódico. Los esfuerzos arriba descritos y llevados a cabo por el consorcio mexicano COMISSA concluyeron en la inauguración de este primer tramo con la presencia del presidente de la república, el pasado 13 de junio de 2013.


La calidad salta a la vista En ISOLUX CORSÁN afrontamos el futuro desde una perspectiva de crecimiento sostenible. Emprendemos iniciativas dirigidas a generar bienestar para todos, que contribuyen a crear sociedades más fáciles, prósperas y respetuosas con el entorno. Y para ello mantenemos un alto nivel de exigencia en nuestras políticas de calidad y medio ambiente. Por eso nuestro trabajo deja una huella, la excelencia de lo bien hecho. Y eso se nota. Avda. Paseo de la Reforma, nº 373, Piso 12 • Col. Cuauhtémoc • 06500 México D.F. • Tel.: (+52 55) 14 50 88 00 • (+52 55) 52 07 26 61

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8 Ingeniería civil del siglo XXI

OTRO logro pionero

EXTRAORDINARIO:

Túnel Hallandsås L

a inquebrantable voluntad de contratistas, potentes compañías constructoras y la aplicación de tecnología innovadora permitieron vencer los retos más grandes en la construcción de túneles. Al inicio de Septiembre de 2013, uno de los proyectos de túnel más complejos, por sus condiciones geológicas más difíciles del mundo se ha terminado concluyendo así los trabajos de excavación del Túnel Hallandsås en Suecia. En el proyecto del Túnel Hallandsås, una máquina tuneladora Multi-Mode-TBM perforó los últimos metros de roca hacia el portal de salida en su segundo tramo a excavar. La llegada de la máquina marcó el triunfo de la ingeniería y de la tecnología innovadora de tuneleo involucrada contra un macizo montañoso particularmente persistente. Después de 8 años de duros trabajos de excavación imparable se ha logrado la victoria por todos los involucrados en el proyecto. La cordillera, invencible contra otros métodos de

construcción probados anteriormente había dejado de resistir. La ruta ferroviaria a lo largo de la costa poniente sueca de Malmö a Göteborg es una de las arterias vitales del sistema de tráfico de pasajeros y punto estratégico de carga del país. Expandiendo esta ruta, la cordillera de Hallandsås en el sur de la ciudad de Båstad en Suecia, era el cuello de botella decisivo: hasta ahora sólo se podía operar en vía única. Pero con la terminación de los trabajos de excavación de la máquina tuneladora, el doble túnel Hallandsås aumentará la capacidad de transporte. “Hemos demostrado que es posible construir un túnel de alta calidad a través del complicado macizo del Hallandsås, mientras al mismo tiempo cumplimos con los altos requerimientos ambientales. Hoy, nuestros dedicados y competentes compañeros son dignos de todo reconocimiento por nuestros logros

comunes” dijo Per Rydberg, Director del Proyecto de la Administración de Transportes de Suecia en la ceremonia de recepción de la máquina en el portal de salida. Por su geología, el proyecto ocupa una de las primeras posiciones en la lista de proyectos de túneles con condiciones de los suelos extremadamente complejos. Grandes secciones de formaciones de roca muy abrasivas (principalmente gneis y amphibolita) con altas resistencias de hasta 250 MPa extremadamente fracturadas. Si no fuera bastante, el túnel está expuesto a presión de agua freática de más de 10 bar en la sección longitudinal del trazado. Intentos anteriores de construir el túnel fracasaron al pasar este obstáculo y llevaron a requerimientos ambientales muy estrictos, por ejemplo limitando la cantidad permitida de abatimiento de agua por litro durante la construcción entre Förslöv y Båstad.


Para la excavación mecanizada – el último recurso para hacer realidad el proyecto – una tuneladora fue especialmente diseñada y suministrada por la empresa Herrenknecht AG, para la construcción de los restantes 5,5 km de los Túneles Hallandsås de 8,7 km de longitud total. La inmensa máquina de alta tecnología, Multi-Mode-TBM con diámetro de 10,53 m se diseñó para trabajar en dos modos, el modo presurizado empleando un circuito de lodos con extracción hidráulica del material excavado y el modo abierto de roca dura con rezaga de los materiales empleando un sistema de bandas transportadoras. Equipos de perforación e inyección instalados fijos en la máquina aseguraron el control de las entradas y el gasto de agua inyectando lechada en caso de necesidad. Como parte de la serie de pruebas exhaustivas el sistema de sellado de la máquina se había diseñado para resistir a presiones de hasta 13 bar. “El diseño de la máquina para Hallandsås ha sido una respuesta a las requerimientos extremos del proyecto y un gran avance tecnológico: el concepto de proveer una máquina para roca con el potencial de trabajar seguro y eficiente en roca suelta, incluso bajo altas presiones del agua freática. Hallansås preparó el camino para proyectos posteriores” reflejó Werner Burger, Director del Departamento de Diseño en Herrenknecht AG.

9 Ingeniería civil del siglo XXI

El consorcio sueco-francés de las empresas constructoras inició los trabajos de excavación del primer túnel oriente en Septiembre de 2005. Equipos e ingenieros se acercaron al método óptimo de trabajo en el túnel en estrecha y confiada cooperación entre el proveedor de la máquina y las compañías de construcción. Los mejores rendimientos se obtuvieron con la máquina bautizada al nombre de “ÅSA”, en referencia a los dioses guerreros y dominantes de la mitología escandinava, en modo abierto y realizando inyecciones de lechada de cemento manteniendo el agua


Ingeniería civil del siglo XXI

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bajo control. Alta abrasividad y grandes bloques de rocas en el trazado causaron un desgaste extremadamente alto del material de la rueda de corte y los intervalos de mantenimiento y cambio de herramientas han sido correspondientemente altos. Sin embargo, pronto después del inicio de los trabajos de excavación, los reportes de obra demostraron progresos regulares, aunque la laboriosa inyección de cemento y los intervalos de servicio requeridos significaron velocidades limitadas. No obstante, obreros y máquina han sido capaces de forzar cientos de metros de túnel por mes en la montaña. La primera victoria de muchas se logró en primavera 2008 con la llegada a una caverna, acceso intermedio a las profundidades, excavada con métodos convencionales. En esta ocasión la rueda de corte altamente gastada se reemplazó por una nueva con discos de corte más grandes, de 19” en vez de 17”. Finalmente, en agosto 2010 el primer túnel se terminó exitosamente. La máquina se saneó por

completo y equipada nuevamente se lanzó para excavar el segundo túnel del lado poniente. Desde febrero 2011 en adelante los especialistas del consorcio Skanska-Vinci, excavando el segundo túnel, pilotearon la máquina de Förslöv hacía Båstad donde fueron recibidos y celebraron con una gran audiencia durante la llegada final el 4 de septiembre 2013. El Dr.-Ing. E.h. Martin Herrenknecht entre los congregados para atender al evento excepcional exclamó “Esta llegada es un momento grande en mi vida. Un gran éxito para todos los involucrados. Es como el alunizaje de la construcción de túneles. Nadie más ha estado aquí antes de nosotros.” Después de 8 años de trabajos de excavación, esta llegada marcó un extraordinario y pionero logro en la construcción de infraestructura subterránea. Un proyecto de túnel que parecía invencible, se gestionó con seguridad para las personas y el medio ambiente gracias a la moderna tecnología de excavación de túneles y la estrecha cooperación de todos los socios del proyecto.

Túnel de Hallandsås Ubicación

Förslöv, Suecia

Herrenknecht Multi-mode TBM S-246

Aplicación

Ferrocarril

Diámetro

10,530 mm

Longitud Túnel TBM

1er túnel 5,480m 2do túnel 5,445m

Capacidad instalada

4,000 kW

Geología

Gneis, Amphibolita, Diabasa

Par

20,370 kNm

Contratista

Trafikverket (antes Banverket)

Constructora

Skanska/Vinci HB (Skanska Sweden AB; Vinci Construction Grands Projets)


BM MÉXICO

BM MÉXICO

El desarrollo de nuestros servicios de gerencia y administración de proyectos esta basado en estudios, análisis y supervisión para la elaboración de soluciones. • • • •

BM MÉXICO

Gerencia Integral. Ensamble Jurídico-Financiero de los Proyectos. Blindaje Técnico-Financiero de Proyectos de Inversión. Organización y control de proceso de licitación.

Consultoría:

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Ingeniería: BM CHILE

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Supervisión:

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Uno de Nuestros Proyectos El proyecto túnel sumergido bajo el río Coatzacoalcos Grupo Básico Mexicano ha sido desde el inicio de esta importante obra en el 2004, la Gerencia de Proyecto para la Construcción del Túnel Sumergido bajo el Río Coatzacoalcos, encargada de coordinar y supervisar el correcto desarrollo del propio proyecto durante su etapa de construcción hasta la puesta en marcha. La obra está siendo ejecutado en la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz, ubicada en la desembocadura del propio río Coatzacoalcos con el Golfo de México. En esta región del Sur de Veracruz se localizan las Instalaciones de la industria petroquímica de Pemex más grande de América Latina. En la actualidad se utilizan dos medios para cruzar de la ciudad de Coatzacoalcos a la zona industrial. A través de panga para llegar a la congregación de Allende. Por el puente Coatzacoalcos construido en 1958. Con la construcción del túnel sumergido en el Río Coatzacoalcos se unirá la zona urbana de Coatzacoalcos con la congregación de Allende del mismo municipio, y es una alternativa urbana al actual cruce carretero que permitirá optimizar el servicio en materia de vialidades y transporte que fortalecerá y consolidará el desarrollo regional del sur de Veracruz pues traerá los siguientes beneficios. 1. Reducir los tiempos de traslado de la zona urbana a los centros de trabajo ubicados en los complejos petroquímicos Morelos, Pajaritos y La Cangrejera. 2. Eliminar los congestionamientos actuales en el Puente Coatzacoalcos. 3. Reducir la contaminación ambiental.

Especificaciones: •Longitud •Longitud •Longitud •Longitud

tramo sumergido: 805.00 metros. acceso Coatzacoalcos: 480.00 metros. acceso Allende: 243.00 metros. total: 1,528.00 metros.

Tipo de infraestructura:

•Túnel sumergido de concreto presforzado •Ancho de calzada: 4 carriles de 3.75 metros de circulación, dos en cada sentido separados por un túnel de servicios. •Pavimento final: capa de concreto asfáltico sobre piso de concreto tanto en el propio túnel sumergido como en las vialidades de acceso.

BM México: Av. Insurgentes Sur No. 1809, 3er. Piso Col. Guadalupe Inn, C.P. 01020 México, D.F. Tels. 56 61 36 54 56 61 37 79 Fax: 56 62 88 75 56 61 36 54

BM Chile: Av. Providencia No. 2653, Oficina 902, Comuna de Providencia, Santiago de Chile. Tel. (00-562) 2 32 9068


Empresas y Empresarios

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Importancia de los túneles en el desarrollo de infraestructura

Elías Antolín Tavera Gutiérrez ICA INGENIERIA

Se presentan los casos más sobresalientes por su importancia en la construcción de túneles y se menciona cómo se está aprovechando mejor el espacio subterráneo haciendo uso de las nuevas tecnologías. Finalmente se hace una reflexión sobre la importancia de los túneles en el desarrollo de la infraestructura.

Antecedentes A lo largo de la historia los túneles han sido construidos para diferentes propósitos, los primeros túneles fueron construidos para la minería y el suministro de agua utilizando herramientas rudimentarias, del primer sistema de drenaje del que se tiene registro se construyó en Mesopotamia durante el periodo 2800 A.C. - 2200 A.C., donde las bóvedas de estos túneles ya eran de tabique recocido, (Wood A.M., 2000). Los túneles continuaron excavándose con herramientas rudimentarias hasta que en 1818 Brunel patentó la primera máquina excavadora con escudo, cuya patente posteriormente fue utilizada para la construcción del túnel que cruza por debajo del rio Támesis en Inglaterra, como se muestra en la Figura 1 y que actualmente continúa operando para uso ferroviario, sólo que ahora está revestido con concreto reforzado.

Figura 1: Patente de Brunel que se utilizó para la construcción del túnel en el río Támesis.

En el continente Americano, por su parte en la frontera entre Estados Unidos de América y Canadá se construyó el primer túnel fronterizo para el transporte ferroviario, el túnel se inicio en agosto de 1890 y cruza por debajo del rio San Clair con una longitud de 1.8 Km entre el puerto de Huron Michigan y Sarnia Ontario, el diámetro del túnel era de 6.4 m y estaba construido con dovelas de hierro fundido. La necesidad de construir este túnel fue porque generalmente la comunicación entre ambos países en esta zona era a través de barcos, pero no podían navegar en la temporada de invierno al estar congelado el rio, por lo que se evaluaron dos opciones, la construcción de un puente ferroviario y la construcción de un túnel, la desventaja que se observó para el puente fue que debía de ser lo suficientemente alto para permitir la navegación de barcos y soportar las cargas del peso del ferrocarril, por lo que la decisión fue por el túnel ferroviario. Fue hasta comienzos del siglo XX que se comenzaron a realizar los primeros intentos en la utilización de maquinaría en la construcción de túneles. En 1922 Whitaker patentó una maquina tuneladora con escudo que tenia 150 m de longitud y es la antecesora de las tuneladoras modernas, (Wood A.M., 2000).


Principales proyectos a nivel mundial

Eurotúnel entre Francia e Inglaterra

En esta sección se describen algunos de los proyectos más relevantes que se han construido a nivel mundial. Para lograr la construcción de alguno de ellos se ha requerido del uso de las nuevas máquinas tuneladoras. En la tabla 1 se describen las máquinas tuneladoras más grandes que se han construido en los últimos años.

El proyecto de la construcción del Eurotúnel se concibió 100 años antes de su ejecución, sin embargo por las limitaciones tecnológicas de la época se abandonó. Para el desarrollo del proyecto que comunica Francia e Inglaterra, se realizó en 1985 una competencia por los gobiernos de ambos países, cuatro proyectos fueron evaluados, la Euroruta, una solución híbrida entre Puente-Túnel-Puente, Europont, un puente suspendido, el Transmanche express, cuatro túneles paralelos, dos para transito ferroviario y dos para tránsito de vehículos, y el Eurotúnel (Pompée P. J ., 1995), el proyecto ganador fue el Eurotúnel cuya construcción duro ocho años y se concluyó en 1994, la longitud total es de 50.3 Km para comunicar Francia con Inglaterra, son dos túneles paralelos de diámetro interior de 7.6 m y un túnel para servicio de 4.8 m, a lo largo de los túneles se conectan a cada 375 m por túneles de comunicación de 3.3 m.

AÑO

TÚNEL

PAÍS

TIPO DE MÁQUINA

DIÁMETRO (m)

1995 1997

Adler

Suiza

Single Shield TBM

12.535

Elbe

Alemania

Mixshield

14.200

2001

Lefortovo

Rusia

Mixshield

14.200

2004

Silver Forest

Rusia

Mixshield

14.200

2005

M30

España

EPB Shield

15.200

2006

Shanghai Changjiang

China

2 x Mixshield

15.430

2010

Sparvo

Italia

EPB Shield

15.550

2011

Orlovski

Rusia

Mixshield

19.250

Tabla 1: Las tuneladoras más grandes que se han construido en los últimos años, Herrenknecht AG 2012.

Túnel Seikan en Japón cipal, (Matsuo S., 1986). Dentro del túnel principal las vías de ferrocarril están habilitadas en ambos sentidos con dos separaciones de vía, de 1.067 m para trenes eléctricos convencionales y de 1.435 m para trenes de alta velocidad, ver Figura 2.

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Figura 2: Fotografía del túnel Seikan y la sección transversal con los tipos de trenes.

Empresas y Empresarios

En Japón se construyó el túnel ferroviario Seikan que une las islas Hokkaido y Honshu, la longitud del túnel es de 53.85 Km y pasa a 240 m por debajo del nivel del mar y 100 m debajo del fondo marino, este túnel ha fungido como arteria principal de comunicación entre estas dos ciudades, su construcción inicio en septiembre de 1971 y fue inaugurado el 13 de marzo de 1988, existen dos estaciones en el interior del túnel ubicadas por debajo de la línea costera, las dimensiones interiores del túnel son 7.9  m de altura y 9.7  m de ancho. Paralelo al túnel principal se tiene un túnel de servicio conectado por galerías a cada 600  m y el túnel piloto utilizado durante la construcción se emplea ahora para el drenaje del túnel prin-


16 Empresas y Empresarios

Túnel Guadarrama en España En España se constituyó la dependencia de gobierno Adif, Administrador de infraestructura ferroviaria, que ha logrado dinamizar el sector ferroviario del 2005 a la fecha, haciendo del ferrocarril el medio de transporte por excelencia y facilitando el acceso a la infraestructura en condiciones de igualdad, un ejemplo de ello es el túnel Guadarrama que une las ciudades de Madrid y Valladolid, es el primer y único túnel de alta velocidad construido sin ataques intermedios de excavación, es el cuarto túnel más largo de Europa y el quinto del mundo, las obras comenzaron el 28 de septiembre de 2002, el tiempo total invertido fue de aproximadamente 32 meses, se trata de dos túneles paralelos, con una separación de 30 m entre ejes y 28.4  km de longitud (Mendoña-Saavedra F., 2005). Ambos túneles se encuentran conectados entre sí por galerías de emergencia situadas a cada 250 m, el diámetro de excavación es de 9.5 m aproximadamente y queda con un diámetro interior de 8.5 m. Al centro de la longitud de los túneles se localiza la sala de emergencia de 500 m de longitud y con capacidad para 1,200 personas que contará con un sistema de ventilación propio que le garantiza aire fresco durante 48 horas en caso de incendio. Finalmente, el viaje de 245 Km ahora tomará 55 minutos viajando a una velocidad de 350 km/hr. Anteriormente el tiempo de traslado por otras rutas era de 2.5 a 3 hrs.

Túnel San Gotardo en Suiza En Europa se construyeron dos túneles paralelos de 57 Km denominado “Gotthard Base Tunnel” para conectar el Norte y Sur de Europa por tren, los túneles cruzan a través de los Alpes suizos y comunicarán a Zurich con Milán. Para la construcción de los túneles se utilizaron cuatro tuneladoras TBM para excavación en roca, con lumbreras de 800 m por lo que los túneles están a una elevación aproximada de 500 msnm y tienen una cobertura de roca de aproximadamente 2  km con respecto a la cima de los Alpes. Actualmente es el túnel ferroviario más largo del mundo con sus 57 km, con diámetro de 9.50 m. A cada 312 m los túneles están conectados para cruce de pasajeros (Jesel T. et al., 2011). Se estima que 24 millones de toneladas de roca fueron excavadas, equivalentes a cinco veces la gran pirámide de Keops y el costo del proyecto es de 10 mil millones de dólares. La ruta será operada por AlpTransit Gotthard, una subsidiaria de Ferrocarriles Federales de Suiza y se estima que para el 2017 inicie las operaciones, en la Figura 3 se observa el proyecto.

Figura 3: Imagen e información del túnel San Gotardo en Suiza.


Edición No. 61 Enero Suplemento Especial

Edición No. 62 Febrero Suplemento Especial

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Puertos

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Pavimentos

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Edición No. 70 Octubre Suplemento Especial

Edición No. 71 Noviembre Suplemento Especial

Edición No. 72 Diciembre Suplemento Especial

Concreto

Edificación Torres y Edificios Altos

Energía

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Vector de la Ingeniería civil es una revista de edición mensual y circulación nacional, en cuyas páginas se ofrecen los mejores artículos de opinión, información de interés y reportajes, sobre todos los aspectos del ejercicio de esta profesión: la historia, las grandes realizaciones, las especialidades, la infraestructura, las empresas, la tecnología, la academia, los eventos y la perspectiva gremial. Este proyecto editorial, orientado a los ingenieros civiles, arquitectos, edificadores y constructores

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18 Empresas y Empresarios

Túnel de la línea 8 del Metro de Shanghai en China Para la construcción de línea 8 del metro en Shanghai China, se utilizó una tuneladora melliza que simultáneamente perfora dos túneles, las dimensiones de excavación del túnel son 5.70 m de alto por 10.30 m de ancho, se utilizaron dovelas de concreto reforzado diseñadas especialmente para este tipo de configuración. En la Figura 4 se muestra una fotografía de la máquina.

. Figura 4. Imagen de la tuneladora melliza, utilizada en Shanghai, China

Túnel para la línea 12 del Metro y el Túnel emisor oriente en México En México actualmente se están construyendo dos proyectos importantes de infraestructura que involucran la construcción de túneles en zonas urbanas, donde ICA tiene participación con la ingeniería y construcción. El Túnel Emisor Oriente es construido para desalojar el agua del drenaje de la Ciudad de México y su canalización se realiza a través de los 62 Km de túnel de 7 m de diámetro. Para lograr el mayor avance de excavación del Túnel Emisor Oriente se trabaja simultáneamente con seis máquinas tuneladoras TBM (Tunnel Boring Machine), una por cada tramo y a lo largo del trazo hay 24 lumbreras para introducir los equipos y para la operación de todo el proceso de excavación, las lumbreras varían en profundidad de 28  m a 160  m y al final del trazo se localiza el portal de salida, este proyecto es para el Gobierno Federal. El otro proyecto es la construcción de la Línea 12 del metro, donde aproximadamente 7.5 Km son de túnel que es excavado con una máquina tuneladora de escudo de frente balanceado, EPB (Earth Pressure Balance), la selección de esta máquina es debido a las características geotécnicas de suelo blando en la Ciudad de México, el diámetro de excavación es de aproximadamente 10  m, siendo el de mayor diámetro construido en México. Otro aspecto importante del proyecto de la Línea 12 del metro es la poca cobertura que presentó, siendo en algunas zonas menor a un diámetro, para lo cual se requirió un monitoreo detallado de los asentamientos para evitar cualquier daño a las estructuras existentes sobre la superficie, este proyecto es para el Gobierno del Distrito Federal.

Nuevos proyectos nacionales En el Congreso Nacional de la Academia de Ingeniería, en la sesión de transporte realizado en la UNAM, el Dr. Octavio Rascón presentó el 24 de febrero de 2012 un resumen general de las propuestas de los proyectos formulados por el CICM para el Sexenio 2013-2019, en la Tabla 2 se muestran los principales rubros de infraestructura. INFRAESTRUCTURA

CANTIDAD DE PROYECTOS

Carreteras

93

MILES DE MILLONES DE DÓLARES 16.6

Ferrocarriles

26

16.9

Trenes suburbanos

10

8.4

Puertos

16 7

5.3

Aeropuertos

4.0

Tabla 2: Se muestra la cantidad de proyectos y montos para desarrollar la infraestructura del país en el sexenio 2013 - 2019.

En el área Metropolitana de la Ciudad de México, se ha propuesto ampliar el sistema de transporte público con líneas del metro y trenes suburbanos como son los que a continuación se mencionan. • Indios Verdes - Ecatepec • La Paz - Texcoco • Martin Carrera - Jardines de Morelos • Chalco - Santa Martha - Constitución de 1917 • Tren Urbano Atizapán - Tlalnepantla • Tren Rápido Toluca - México


Nuevos proyectos internacionales Túnel en Lyon - Turín Con el proyecto del túnel Lyon - Turín con una longitud de 53 Km, se busca conectar el Este y Oeste de Europa para completar la red ferroviaria de Europa, tanto de pasajeros como de carga, con esta nueva infraestructura permitirá beneficiar a las zonas productivas del sureste de Europa conectándolas a los mayores puertos del mar del Norte (Chantron L., et al., 2011), ver Figura 5.

Figura 5: Túnel de Lyon Francia a Turín Italia a través de los Alpes suizos

Túnel en el estrecho de Bering, Rusia - Alaska Existe un proyecto para construir un túnel ferroviario que cruce por el estrecho de Bering, la longitud del túnel será de 98 a 113 Km, dentro de esta ruta hay dos Islas, del lado de Rusia se tendrá que construir una línea de Yakutsk - Uelem hasta llegar al túnel y su longitud tendrá de 3850 Km a 4020 Km dependiendo de la Ruta que se elija. Del lado de Alaska, el ferrocarril irá de Nome a Fort Nelson con una longitud de 1925 Km, posteriormente se conectará a la red existente de ferrocarriles de Alaska y Canadá. Con este proyecto se podría llegar de Londres a Nueva York por tren, ver Figura 6.

Figura 6: Túnel Rusia - Alaska a través del estrecho de Bering

Empresas y Empresarios

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Empresas y Empresarios

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Nuevo Túnel de la Croix Rousse en Lyon, Francia. El túnel de la Croix Rousse fue construido en 1952 en la ciudad de Lyon, Francia, utiliza dos carriles por sentido y su longitud aproximada es de 1.8 Km. Paralelo a este túnel se está construyendo otro que entrará en operación para finales del 2013 (Vadon H., 2011), este nuevo túnel no es para el tránsito de vehículos particulares sino que promueve el uso del transporte público, el uso de la bicicleta y el tránsito de peatones, para lograr que sea más placentero el tránsito por este túnel se realizarán proyecciones con animaciones artísticas, como se muestra en la Figura 7, donde en la imagen del lado izquierdo se observa un render de cómo es el concepto y del lado derecho se muestra la sección del túnel con el confinamiento de cada carril para autobús, peatón y ciclistas.

Referencias Chantron, L., Chambert A., Ognibene C. (2011), Lyon-Turin International Section: New Preliminary Design, Theme D1, AFTES International Congress, Lyon Francia, 8p. Jesel T., Pedrazzini S., Böclki O. (2011), 60 km Beneath the Alps: the Mechanical Drive at the Gotthard Base Tunnel, Theme B2.3, AFTES International Congress, Lyon Francia, 12p. Matsuo S. (1986), An Overview of the Seikan Tunnel Project, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 1, No. 3/4 pp. 323331

CICLISTAS

PEATON

Mendoña-Saavedra F. (2005), Las Tuneladoras de Doble Escudo en la Construcción de los Túneles de Guadarrama, Revista de Obras, N° 3,453, 13-40, España. Pompée P.J. (1995) Channel Tunnel Project Overview, Amicale des Batisseurs du Tunnel Soul la Manche, Francia, 7p.

Figura 7: Nuevo túnel de la Croix Rousse en Lyon, Francia.

Conclusiones El crecimiento poblacional en las ciudades exige una mayor infraestructura para el transporte eficiente que permita reducir los tiempos de traslado de personas y movimiento de mercancías, la ampliación de las redes existentes para el suministro de agua potable, para los sistemas de drenaje y para las instalaciones como son fibra óptica, gaseoductos, etc. Por otra parte, con los avances recientes en la ingeniería de túneles y la tecnología de las máquinas tuneladoras, se puede ser más eficiente en la construcción de obras subterráneas sin dañar las estructuras existentes sobre la superficie cuando se trata de suelos blandos, además como en las grandes ciudades ya no hay espacio disponible en la superficie, una alternativa viable es la construcción de túneles para los diferentes tipos de servicios que requiere la población. En México, los dos proyectos de túneles recientes en la zona metropolitana y conurbada de la Ciudad de México, Línea 12 del metro y el Túnel Emisor Oriente, son un claro ejemplo de que se tiene en México la capacidad técnica para el diseño y construcción de túneles en condiciones difíciles, como es el caso del suelo de la ciudad de México, por lo que hay que aprovechar esa experiencia para aplicarla a futuros proyectos similares. Finalmente, para impulsar el crecimiento económico de un país es importante lograr una adecuada planeación de la infraestructura necesaria para el desarrollo y bienestar de la población, buscando siempre reducir el impacto al medio ambiente, para lograrlo las empresas del sector público y privado deben contar con ingenieros altamente especializados para llevar a cabo tareas de gran importancia como la planeación, diseño, construcción, supervisión y operación de los sistemas de infraestructura que requiere cualquier país para mejorar su competitividad en el marco mundial.

Vadon H. (2011), Emergency Gallery of the Croix-Rousse Tunnel: Facilities like no other in the World, Theme D2, AFTES International Congress, Lyon Francia, 6p. Wood A.M. (2000) Tunnelling: Management by design, E & FN Spon: 307.


Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo ICA Ingeniería

En la década de los años sesenta, ICA inicia su experiencia tunelera en suelos blandos, cuando construye parte de la prolongación sur del Gran Canal, utilizando un escudo hecho en México. Desde entonces ha excavado varias decenas de kilómetros de túneles en suelos blandos, con ayuda de escudos tanto de frente abierto como presurizado.


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Suplemento Especial

ANTECEDENTES Desde sus primeros años, la vocación tunelera de ICA ha estado siempre presente en sus actividades, cuando empezó los largos túneles de desvío y las casas de máquinas, subterráneas, en roca, de sus primeras obras hidroeléctricas. Su incursión en los túneles en suelos blandos se inicia al principio de la década de los años sesenta cuando su filial ECSA tuvo a su cargo la construcción de un conducto en túnel, para el entubamiento de la “prolongación sur del Gran Canal del Desagüe”, en la ciudad de México (Tamez, 1961). Cabe mencionar que es precisamente para dicha obra de drenaje donde se empezaron a utilizar en México con gran éxito, tanto por ICA como por otras empresas tuneleras, los primeros escudos, que por cierto fueron diseñados y construidos en el país. Se incursionaba así en el espacio subterráneo de la Gran Ciudad, para resolver sus ingentes problemas sanitarios, anteriormente resueltos mediante canales a cielo abierto, como el centenario Gran Canal del Desagüe, que tarde o temprano deberán ser reemplazados por conductos subterráneos que eviten problemas de contaminación ambiental al tiempo que liberan de “barreras” a la superficie urbana.

Dicho sea de paso, otro trascendente procedimiento de construcción que permitió tener un acceso franco al espacio subterráneo es el denominado en inglés “cut & cover” (cortar y cubrir), basado fundamentalmente en la construcción previa de muros de concreto armado, colados en zanjas estabilizadas mediante lodo bentonítico, mejor conocidos como muros Milán. Este procedimiento para construir “túneles falsos” permitió materializar al final de los años sesenta los primeros tramos subterráneos del “imposible” Metro de la ciudad de México. Gracias al uso de escudos, que en un principio eran de “frente abierto” y que al paso del tiempo éste se presurizó, primero a través de aire comprimido, después empleando lodo bentonítico y más recientemente mediante el propio suelo en proceso de excavación, ha sido posible construir en “túnel” varios tramos del Metro, la porción subterránea del Sistema de Drenaje Profundo y algunos otros drenajes urbanos de la ciudad de México y de su entorno vecino, como el entubamiento del río de la Compañía y actualmente (2012) el Túnel Emisor Oriente.

BREVE HISTORIA 1965-1970. La primera máquina formal de tuneleo utilizada en ICA para la construcción de túneles en los suelos blandos de la ciudad de México, al final de los años sesenta fue el histórico escudo Calweld (fig. 1), con borde de ataque inclinado, 300 cm de diámetro y con dos sistemas cortadores oscilantes, de tres brazos cada uno, el cual permitía colocar “a mano” un soporte inicial resuelto mediante dovelas de placa metálica (charolas) como se visualiza en la fig. 2. Posteriormente se le colocaba un revestimiento definitivo, de concreto lanzado, armado. Con este escudo fue posible construir los primeros sifones “en túnel” resultantes del replanteo del trazo de colectores (obras inducidas), durante la construcción de las primeras líneas del Metro de la ciudad capital (Tinajero y Vieitez, 1971).

Fig. 1 Escudo Calweld (300 cm de diámetro)

Fig. 2 Dovelas de placa metálica

La necesidad de prolongar hacia el lomerío del poniente la Línea 1 del Metro, abrió la oportunidad de diseñar y construir en México a finales de los años sesenta el primero de una serie de escudos de frente abierto, diseñados por el consultor estadounidense Arthur Chase y construidos en los talleres de la empresa filial Industria del Hierro, en la ciudad de Querétaro. El denominado escudo Tacubaya (Chase, 1969; Moreno, 1970), de 914 cm de diámetro, con gatos estabilizadores frontales (fig. 3) y diseñado para la excavación manual del túnel, permitía colocar un soporte inicial y único, de anillos formados por solamente tres dovelas de concreto armado, expandibles, que dejaban el espacio suficiente para alojar los dos sentidos de circulación del Metro (fig. 4).


Fig. 3 Escudo Tacubaya (914 cm de diámetro)

Fig. 4 Dovelas colocadas por el escudo Tacubaya (tres piezas)

1970-1980. Más adelante, en la década de los años setenta se fabricaron en Industria del Hierro, de Querétaro, media docena de escudos de frente abierto, con “visera”, de 624 cm de diámetro, también con gatos estabilizadores frontales (fig. 5) y diseñados para la excavación manual de los túneles Interceptores, Central y Oriente, del Sistema de Drenaje Profundo, de la ciudad de México. Como soporte inicial se colocaban dovelas de concreto, a razón de 11 piezas más una cuña, por anillo. Posteriormente, con la ayuda de una cimbra que dejaba un hueco circular de 5 m de diámetro, se colaba el revestimiento definitivo de los túneles (Departamento del Distrito Federal, DGOH, 1969).

Fig. 6 Dovelas colocadas por el escudo Chase I/H (11 piezas más cuña)

Ante la urgente necesidad de construir la prolongación sur del Interceptor Central, en zona de suelos arcillosos más blandos de los que anteriormente se habrían excavado, al final de los años setenta y bajo la asesoría del consultor A. Chase, se puso en funcionamiento un sistema de aire comprimido para túneles, en combinación con los escudos de frente abierto. Para la puesta en marcha del sistema (Moreno, Farjeat y Ramos, 1975) fue necesario llevar a cabo previamente una exhaustiva investigación médica sobre los tiempos de descompresión que debieran aplicarse al personal trabajando en ambiente presurizado, la cual fue realizada con gran profesionalismo por el Dr. Juan Ramos Morales (Ramos, 1979). Cabe mencionar que tales tiempos de descompresión evaluados para la ciudad de México, resultaron notoriamente mayores a los disponibles en la literatura mundial sobre el tema, por causa de la notable altura de 2240 m sobre el nivel del mar que tiene la ciudad.

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Suplemento Especial

Fig. 5 Escudo Chase I/H (624 cm de diámetro)


Suplemento Especial

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Fig. 7 Esclusa de personal

Fig. 8 Esclusa de rezaga

En las figs. 7 y 8 que anteceden, se muestran las esclusas del personal y la de rezaga, utilizadas para el tránsito de personas y para el movimiento de la rezaga y materiales, respectivamente, entre las zonas presurizada y no presurizada. Como los tiempos de descompresión para la salida segura del personal del ambiente hiperbárico empezaron a ser notoriamente largos* cuando la presión superaba las 0.9 atmósferas (Schmitter y Rendón, 1980), fue necesario buscar otros procedimientos de tuneleo para estabilizar el frente mediante presurización, encontrando que los escudos presurizables con lodo (Slurry Shields) ya habían demostrado ser confiables, principalmente en Japón y en Alemania. 1980-1990. Con tales antecedentes y teniendo en mente las peculiares propiedades geotécnicas de la arcilla de la ciudad de México (muy compresible, de baja resistencia y sensitiva), a finales de los años setenta se llevó a cabo el diseño de una máquina de tuneleo capaz de excavar túneles en tal tipo de material. Al terminar el diseño se fabricó en la casa Okumura de Japón un escudo presurizable con lodo de 400 cm de diámetro (fig. 9), con el cual fue posible excavar al principio de los años ochenta y de manera rápida y segura, el colector semiprofundo Iztapalapa y varios más, colocando como soporte inicial anillos de dovelas, de cinco piezas más cuña (Schmitter, Orozco y Camacho, 1985).

Fig. 9 Escudo “Slurry Shield” Okumura (400 cm de diámetro)

Fig. 10 Dovelas colocadas por el escudo Okumura (cinco piezas más cuña)

*Por ejemplo, cuando el personal trabajaba seis horas a una presión de 1.3 bar sobre la atmosférica, se requerían tres horas para descomprimirlo de manera segura

Gracias al gran éxito alcanzado con la utilización de este nuevo concepto de máquina de tuneleo, presurizable con lodo, el gobierno de la Ciudad mandó fabricar por su cuenta y a la misma fábrica Okumura de Japón, dos máquinas similares en diseño pero de 624 cm de diámetro, con las cuales se realizaron también de manera exitosa varias decenas más de kilómetros de los interceptores urbanos Central, Centro/Centro, Oriente Sur y Oriente/Oriente, además del entubamiento del río de los Remedios. A ICA le tocó operar al final de los años ochenta y principios de los noventa uno de estos escudos para la construcción de varios de los interceptores del Sistema de Drenaje Profundo, antes mencionados.


Cabe añadir que gracias a la naturaleza bentonítica de los suelos arcillosos ubicados en el subsuelo de la Ciudad, fue posible utilizarlos como materia prima, en la conformación del lodo requerido para el proceso de tuneleo, para lo cual solamente se agregó agua, por cierto procedente de las plantas de tratamiento de la Ciudad. 1990-2000. Al final de los años ochenta y principios de los noventa, se diseña por parte de la empresa americana Hamilton Engineering y se fabrica en I/H de Querétaro un escudo mecanizado de 951 cm de diámetro y frente abierto, para excavar el extremo norte de la Línea 7 del Metro en suelos razonablemente competentes, mediante el cual se colocaron anillos de dovelas prefabricadas, de concreto armado, como soporte inicial y también como revestimiento único (Canseco, 1990). El proceso de excavación se realizó mediante rozadoras acopladas al escudo y para estabilizar el frente se utilizaron puertas frontales articuladas, como se muestra en las figs. 11 y 12.

Fig. 11 Escudo Hamilton I/H (951 cm de diámetro)

Fig. 12 Esquema del escudo Hamilton I/H

2000-2012. Para simplificar el manejo de la rezaga y hacer más amigable con el medio ambiente su eliminación, al evitar el uso de lodo bentonítico, se seleccionó una nueva herramienta de excavación, denominada escudo EPB, de Presión Balanceada de Tierra, en el cual se conserva la vital presurización frontal para estabilizar el terreno, “atrapando” momentáneamente al suelo en proceso de excavación, mediante la operación combinada del avance de la máquina y de la extracción controlada del material excavado, a través del distintivo tornillo sinfín, de este tipo de escudos. En las figs. 13 y 14 se muestra el escudo EPB utilizado para la construcción del túnel Río de la Compañía.

25 Fig. 14 Escudo “EPB” Herrenknecht, llegando a una lumbrera

Además del túnel Río de la Compañía, con este concepto de escudo EPB recientemente se construyó la porción en túnel de la Línea 12 Dorada, del Metro y actualmente con ayuda de seis escudos EPB, de los cuáles tres opera ICA, se construye el Túnel Emisor Oriente.

Suplemento Especial

Fig. 13 Escudo “EPB” Herrenknecht (630 cm de diámetro)


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EVOLUCIÓN DE LOS CONCEPTOS DE TUNELEO Escudos

Presurización frontal

Como se mencionó anteriormente, en un principio los escudos utilizados en la ciudad de México tenían su frente abierto y la excavación del material se realizaba con herramienta neumática, manual. Entonces era posible observar a simple vista la estratigrafía de las formaciones de suelo en proceso de excavación y en no pocas ocasiones también los accesorios que contenía, tales como huesos de elefante, ramas de árbol (de hace 25,000 años y de manera extraordinaria peces de agua dulce. Su avance mensual rondaba los 150 metros.

Los escudos de frente abierto utilizaban un sistema de gatos frontales que salvaguardaban la estabilidad frontal “por tableros”, al tiempo que se realizaba la excavación manual del frente, también por tableros. Al final, toda vez que se había excavado y soportado el frente en su totalidad, se avanzaba la máquina, para posteriormente iniciar un nuevo ciclo.

Más adelante, con la utilización de los escudos “Slurry Shield” cuyo frente se presurizaba mediante lodo bentonítico, la excavación se realizaba de manera oculta y mecanizada mediante un disco cortador y la rezaga se enviaba por tubería a la superficie del terreno. Con estos escudos se obtuvieron avances mensuales más significativos, que rondaban los 500 metros, al tiempo que se redujeron de manera significativa los asentamientos en superficie, inducidos por el tuneleo. Finalmente, con los escudos EPB, también de frente presurizado, recientemente puestos en práctica, se han conservado favorables avances mensuales, aunque con paros más frecuentes y también se han reducido los asentamientos inducidos por el tuneleo. Su excavación se realiza también mediante disco cortador o bien mediante estrella cortadora.

Cuando la resistencia del suelo arcilloso por excavar no era suficiente, se puso en operación el concepto denominado “proceso pleno” mediante aire comprimido, el cual además de mitigar las escasas filtraciones de agua hacia el frente, complementaba de alguna manera la estabilización del frente. Cuando al utilizar aire comprimido a presiones mayores de 0.9 bar, los tiempos de descompresión se tornaron “demasiado largos”, se utilizaron a cambio escudos “Slurry Shield”, donde el lodo de operación, además de ser el fluido mediante el cual se presurizaba el frente, servía también como “vehículo” para la extracción del material excavado. Más recientemente, en los escudos EPB la presurización frontal se ha obtenido mediante el atrapamiento temporal del material en proceso de excavación, regulando las operaciones combinadas de excavar, empujar el escudo y retirar el material excavado mediante su tornillo sinfín.

Manejo de la rezaga En un principio, el uso de vagones sobre rieles, movidos por una locomotora, eléctrica o de diesel, era el método preferente de rezaga entre el frente de excavación y la lumbrera de extracción. Al llegar a la lumbrera, los recipientes de la rezaga, botes o vagonetas, eran izados a la superficie, volteados en una tolva y cargados en camiones para llevarlos al tiradero autorizado. Posteriormente, con la llegada de los escudos “Slurry Shield” presurizados con lodo, la rezaga se transportó en forma de lodo “pesado” mediante tuberías y bombas centrífugas, desde el frente hasta la superficie del terreno, donde era depositada en estanques de sedimentación, desde donde una buena parte se mandaba en pipas al tiradero en forma líquida, mientras otra parte era reacondicionada con agua, para regresar al túnel como lodo ligero llevado al frente mediante tuberías, para terminar el ciclo de excavación. Es decir, el sistema de rezagado requería para su operación de dos tuberías, una para llevar lodo ligero al frente y otra para retirar el lodo pesado que contenía al material excavado, para su regreso a los estanques de superficie. Recientemente, con los escudos EPB se ha utilizado con razonable éxito el bombeo de la rezaga mediante bombas de pistones, de desplazamiento positivo, las cuales envían el producto excavado hasta la superficie del terreno a través de una sola tubería de expulsión, depositándolo sobre un terreno plano y confinado, donde posteriormente un cargador convencional lo deposita en camiones para llevarlo al tiradero.


Soporte inicial Comúnmente llamado endovelado, ha sido resuelto predominantemente mediante dovelas prefabricadas de concreto armado, que al unirlas entre sí forman anillos con cierto grado de flexibilidad. En un principio, cada anillo se formaba de 11 piezas más una cuña y como la proyección vertical de cada anillo es un rectángulo, se consideraron entonces como anillos “normales”. Cabe mencionar que el montaje de cada anillo dentro del faldón del escudo era acompañado de un cierto número de cuñas de madera, para cubrir los ajustes propios del tuneleo, especialmente cuando se excavaban tramos en curva. En un intento por reducir drásticamente el número de piezas por anillo, para el denominado túnel Tacubaya se utilizaron solamente tres elementos, que además tenían la característica de ser expandibles. Aunque la experiencia resultó razonablemente positiva, ya no se volvió a utilizar porque resultaban dovelas muy estorbosas para ser manejadas dentro del túnel. Más adelante, durante la puesta en operación de los escudos “Slurry Shield” japoneses se utilizaron anillos armados con cinco piezas más cuña, siendo “normales” (planta rectangular) y “correctivos” (planta trapezoidal). De esta manera fue posible instalar anillos dentro del faldón del escudo sin utilizar cuñas de madera, especialmente en los tramos en curva. Con ello se obtuvo una favorable reducción en los tiempos de montaje del soporte inicial. Finalmente, en la época actual se utilizan anillos de dovelas denominados “universales”, ya que todos son correctivos, es decir de planta trapezoidal o ahusada, los cuales son colocados dentro del faldón del escudo, en función del espacio disponible entre su extradós y el paño interior del faldón, el cual es detectado con ayuda de un sistema de cómputo, que le indica al operador en qué posición debe instalarse la cuña del anillo, generalmente la de menor ancho del mismo.

Guiado de la trayectoria

En un principio, cuando se construían túneles con ayuda de escudos de frente abierto, que no tenían sellos en el faldón, se realizaba la inyección del espacio anular no necesariamente simultánea al avance, sino primero mediante gravilla “en seco” y posteriormente mediante lechada o bien lechada con bentonita. Más adelante, durante la utilización de los escudos “Slurry Shield”, que contaban con sellos en su faldón, la inyección de un lodo fraguante se realizaba de manera simultánea al avance. Recientemente, con los escudos EPB se ha puesto a punto un procedimiento de inyección de “dos componentes”, es decir, se preparan por separado el fluido de inyección propiamente dicho, y el acelerante de fraguado, pero al inyectarse en el espacio anular se combinan para un fraguado efectivo y controlado.

Pronto se utilizaron rayos laser fijos, incidiendo sobre tarjetas transparentes pregrabadas, colocadas en el respaldo de la máquina de tuneleo, con los cuales era posible seguir y verificar la correcta trayectoria de la máquina. En la actualidad, con el amplio desarrollo tecnológico de las máquinas de tuneleo, los sistemas de guía computarizados permiten tener una visión en tiempo real de la trayectoria de la máquina, mostrando no solamente la posición de la misma con respecto al eje del trazo proyectado, sino también la tendencia que sigue la máquina, sea de alejarse o de acercarse a la trayectoria de proyecto.

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Suplemento Especial

Inyección del espacio anular

Durante las primeras experiencias tuneleras en suelos blandos, la topografía convencional era la única herramienta aplicable para confirmar la correcta trayectoria de la máquina de tuneleo.


Suplemento Especial

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TAREAS PENDIENTES

CONCLUSIONES

Indudablemente mucho se ha avanzado en los últimos 50 años, con respecto a la construcción de túneles en suelos blandos, como los de la ciudad de México, aunque se reconoce que aún prevalecen algunos conceptos que deben evolucionar, para optimizar el proceso, entre los que destacan los que siguen:

En la época actual, las máquinas de tuneleo han alcanzado un alto nivel de sofisticación, con las cuales el proceso constructivo de los túneles se convierte propiamente en una línea industrial de producción, más que una actividad constructiva artesanal.

Revisión analítica del efecto que a largo plazo tiene el hundimiento regional del valle de México, sobre el soporte inicial (endovelado) de los túneles y sobre la combinación de aquél con el revestimiento definitivo de los mismos. Revisión analítica del efecto que tiene el agrietamiento por tensión que experimenta el subsuelo arcilloso en algunas áreas del valle de México, sobre el desconfinamiento y la posterior deformación diametral, que experimenta el soporte inicial de un túnel, resuelto mediante anillos de dovelas prefabricadas de concreto. Aplicación del concepto de soporte inicial y único, para túneles conductores de agua. Revisión de la forma en que deben conectarse entre sí las dovelas y los anillos que lo integran, de manera de no dejar expuestos puntos metálicos, susceptibles de corrosión. Optimizar el sistema de rezagado mediante bombas de pistón, de desplazamiento positivo. Para ello es necesario desarrollar procedimientos para “acondicionar” al suelo excavado, de manera que pueda ser bombeable. Estandarizar el procedimiento para llevar a cabo el recambio de sellos del faldón, cuando el escudo aun se encuentra sobre el tramo en construcción. Optimizar el proceso de inyección del espacio anular, entre dovelas y terreno excavado. Desarrollar las normas aplicables al diseño y construcción de túneles en suelos blandos, incluyendo lo relativo a su soporte inicial, mediante dovelas prefabricadas de concreto armado.

Los sensores que ahora tienen las máquinas de tuneleo permiten acumular para posteriormente procesar estadísticamente, los múltiples resultados obtenidos, tanto de los parámetros mecánicos de operación de aquéllas, como de los parámetros de comportamiento, relativos a la interacción del proceso constructivo del túnel con el medio vecino. En resumen, el estado actual de la tecnología permite construir túneles en suelos blandos de manera más rápida que anteriormente, obteniéndose al mismo tiempo un mejor comportamiento de la obra realizada. No obstante, aún prevalecen ciertas inquietudes cuyo estudio y solución deben llevarse a cabo para salvaguardar la estabilidad de los túneles de la Ciudad, construidos en suelos blandos y compresibles.

REFERENCIAS Canseco, H. (1990). Comunicación personal. Chase, A. (1969). Comunicación personal. Departamento del Distrito Federal, DGOH (1969). Interceptores Profundos y el Emisor Central. Un nuevo sistema de drenaje para el Distrito Federal. Publicado por el DDF, DGOH, en ocasión del Séptimo Congreso de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. Moreno, A. (1970). Comunicación personal. Moreno, A., Farjeat, E. y Ramos, J. (1975). Aire comprimido en un túnel del Drenaje Profundo de la Ciudad de México. Quinto Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Buenos Aires, Argentina. Ramos, J. (1979). Comunicación personal. Schmitter, J.J., Orozco, J. y Camacho, P. (1985). Slurry Shield at Mexico City Clay. Tunnel City. Underground Structures in Urban Areas, Praga, Checoeslovaquia. Schmitter, J.J. y Rendón, R. (1980). Túneles bajo aire comprimido, en la Ciudad de México. Sexto Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Lima, Perú. Tamez, E. (1961). Comunicación personal. Tinajero, J. y Vieitez, L. (1971). Asentamientos en la vecindad de túneles con escudo. Cuarto Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, San Juan, Puerto Rico.


Multi-mode TBM Tecnología flexible para suelo altamente variable

Máquinas Tuneladoras tradicionales pueden llegar a sus límites tecnológicos o económicos cuando deben perforar a través de geologías altamente variables. En un trazado a excavar, el suelo puede variar de rocas estables hasta suelos blandos, acuíferos y viceversa. Estos trazados significan los retos más exigentes para la construcción de túneles. Herrenknecht ha desarrollado Multi-Mode-TBMs para estos casos asegurando óptima seguridad y flexibilidad durante el proceso de construcción completo. Las máquinas están diseñadas flexiblemente en términos de métodos de excavación y soporte. El modo de función se puede adaptar a los cambios del suelo requiriendo sólo tiempos cortos de conversión, significando que incluso túneles en condiciones geológicas y geo-hidráulicas altamente variables pueden ser construidos de manera segura empleando las innovadoras máquinas Multi-Mode-TBM hechas por Herrenknecht.

Una idea – máxima flexibilidad

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Opciones de combinación de los diferentes tipos clásicos de escudos

Empresas y Empresarios

En la excavación mecanizada de túneles existen básicamente tres tipos de escudos: escudos de frente abierto, escudos EPB y escudos Slurry. Cada uno de estos métodos aprobados tiene su especial rango de aplicación. Muchos trazados conducen a través de condiciones de suelos altamente cambiantes donde los mencionados métodos clásicos llegan a su límite técnico y económico. Para estos casos especiales, los ingenieros de Herrenknecht AG han desarrollado las máquinas Multi-Mode-TBM. El concepto básico permite cambiar entre el modo de soporte Slurry, EPB y operación abierta dentro de un mismo trazado mediante la realización de un número de conversiones.


30 1. Combinación de TBM EPB y Escudo abierto TBM Empresas y Empresarios

3. Combinación de TBM EPB and TBM Slurry

Multi-Mode TBM con tornillo sinfín y cinta transportadora para cambiar entre EPB y modo abierto Escudos EPB con tornillo sinfín pueden operar en el modo convencional presurizado EPB y también en modo abierto. En este caso la cámara de excavación y el tornillo solamente están llenos parcialmente y no se puede soportar el frente de excavación activamente. El tornillo solamente se usa para la extracción de material excavado. Alternativamente una banda transportadora con una tolva retráctil se puede instalar en el centro. Se requieren medidas adicionales de conversión en la rueda de corte y el tornillo sinfín es parcialmente retraído en la operación en modo abierto.

2. Combinación de escudo abierto TBM y Escudo Slurry TBMs Multi-mode con operación en modo abierto y modo presurizado con circuito de lodos se han usado exitosamente en muchos proyectos. El reto más grande para el cambio del modo de operación es hacer frente a las distintas formas de remover el material excavado. Mientras el escudo Slurry trabaja con un sistema de rezaga hidráulico, en modo abierto el material se extrae mediante una banda transportadora instalada en el centro con una tolva retráctil. Significando que los dos sistemas de rezaga deben estar instalados en esta combinación en la TBM y en su sistema de remolques.

Ambos modos de esta combinación trabajan con un sistema presurizado para soportar activamente el frente de excavación. La diferencia principal consiste en la composición y en las características del medio de soporte, el sistema de rezaga y el diseño en las cámaras de excavación. Para diámetros grandes de máquinas de más de 9 metros, la instalación paralela del tornillo sinfín y circuito de lodos en la parte inferior de la cámara de excavación es posible, pero no se permite con diámetros menores que significan que el cambio de los modos de operación en este caso, requiere tiempo, sobre todo si existe la necesidad de instalación de una machacadora de rocas enfrente de la entrada del circuito de lodos. La combinación de TBM EPB con Slurry solamente se emplea si las condiciones específicas del proyecto justifican los grandes esfuerzos.


La tecnología singular de Variable Density TBMs de Herrenknecht es la solución completa para excavación en suelos blandos.

La TBM Multi-mode con soporte del frente EPB y Slurry es la forma más compleja de las máquinas convertibles y su aplicación solamente es rentable en casos muy especiales. Para este caso Herrenknecht ha desarrollado las TBMs de densidad variable que emplean un método singular en la excavación mecanizada de túneles combinando las ventajas de ambos métodos en una máquina. Sin modificaciones mecánicas la máquina puede cambiar entre cuatro diferentes modos de excavación directamente en el túnel significando que los cambios geológicos e hidrogeológicos a lo largo del trazado se pueden manejar con extrema flexibilidad.

En ambos modos, EPB y Slurry, el material excavado se remueve de la cámara de excavación presurizada por el tornillo sinfín. Dependiendo del modo empleado la presión de soporte se controla mediante la velocidad del tornillo sinfín y la velocidad de avance o empleando lodos que se controlan automáticamente con una burbuja de aire. La apertura del mamparo sumergido es reemplazada por tubos comunicantes. En modo EPB el tornillo vierte el material rezagado en la banda transportadora. Una cámara mezcladora en el extremo posterior del tornillo sinfín permitirá a la máquina operar con un circuito hidráulico de lodos. En este último caso se puede emplear una suspensión regular de bentonita o se puede usar bentonita de alta densidad, ampliando el rango de aplicación de la TBM de densidad

variable y convirtiéndola en la máquina idónea para todos tipos de suelos sin cohesión.

5. Tecnología singular para demandas subterráneas exigentes Condiciones de suelo exigentes y muy variables requieren de innovadoras tecnologías. Tuneladoras Multi-mode de Herrenknecht satisfacen estos altos requerimientos por su concepto de diseño de máquina flexible. Se emplean en donde escudos convencionales llegan a sus límites técnicos o económicos. TBMs Multi-mode son capaces de producir túneles de manera segura y eficiente, incluso en condiciones de suelos extremadamente variables. Exactamente donde se necesitan.

31

Empresas y Empresarios

4. El caso especial de las TBM de densidad variable TBM Variable Density®


Infraestructura

32

Determinación del rendimiento de tuneladoras (TBM) en roca mediante el método de regresión multivariable y el método RME de Bieniawski

M.I. David Joel Albarran Martinez ICA Ingeniería

Desde la introducción de las máquinas tuneladoras (TBM) en el desarrollo de la construcción de túneles en el mundo, se ha buscado predecir el rendimiento real de éstas en la obra. Se presentan dos métodos alternativos para llevar a cabo un cálculo aproximado para la obtención de tal parámetro.

Introducción La perforabilidad de un túnel en roca se ha convertido en el método estándar para túneles de diferentes tamaños y longitudes. A través del tiempo, y gracias al desarrollo de la tecnología, las máquinas tuneladoras (TBM) son cada vez más potentes y más eficientes. Para justificar el uso de una TBM en cualquier proyecto y con fines de planificación, se deberá contar con una estimación razonablemente precisa de la rapidez de penetración (PR) y de la tasa media de avance (ARA). Bajo este contexto, varios modelos a lo largo de los años han ofrecido estas estimaciones, que en algunos casos fueron acertadas y en otros con grandes desfases en tiempos, lo que derivó en altos costos para el proyecto. Actualmente existen diversos métodos de predicción del rendimiento de una tuneladora. Entre los más reconocidos están el de Colorado School of Mines o CSMI y el de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología o NTNU; sin embargo, su utilización es limitada por la gran cantidad de parámetros que se requieren para su valorización. En el último par de décadas, con el creciente uso de las tuneladoras en el mundo y la necesidad de pronosticar con mayor precisión el rendimiento de las máquinas tuneladoras para diferentes condiciones de terreno, muchos investigadores han trabajado para desarrollar nuevos modelos de predicción o factores de ajuste para los modelos ya existentes.

Las investigaciones de Barton (1999, 2000), Yagiz (2002, 2007), Sapigni et al. (2002), Bieniawski (2006, 2007), Gong et al. (2009), Khademi (2010), y Hassanpour et al. (2009, 2010), son los trabajos más recientes. Barton (1999, 2000) examinó una amplia gama de túneles de TBM para establecer una base de datos para proponer un nuevo modelo basado en la clasificación geomecánica del macizo rocoso (Q) y la adición de nuevos factores. Sin embargo, utiliza muchos parámetros de entrada y tiende a ser complejo, incluso hasta confuso (Palmstrom et al., 2006). Yagiz (2002) modificó el modelo CSMI adicionando propiedades de la masa rocosa como parámetros de entrada en el modelo. Sapigni et al. (2002) estudiaron la relación empírica entre el índice de la masa rocosa (RMR) y la rapidez de penetración. Yagiz (2007) realizó el análisis estadístico en los datos obtenidos del túnel de Queens, en Nueva York y propuso un modelo empírico para predecir la rapidez de penetración de la TBM. Esencialmente relacionó cuatro parámetros de la masa rocosa (UCS o resistencia a la compresión simple de la roca intacta, índice de perforación DRI, y el espaciamiento y orientación de las juntas). Bieniawski (2007) estudio 22.9 km de túnel y mediante datos geométricos, datos del terreno y datos de la tuneladora evaluó cinco parámetros que integraron el índice de excavabilidad del macizo rocoso (RME).


Gong y Zhao (2009) realizaron un análisis de regresión no lineal en los datos obtenidos a partir de dos túneles excavados en roca tipo granito de Singapur.

Finalmente, Khademi et al. (2010), basados en las experiencias del túnel de Zagros en Irán y tomando como base el sistema de clasificación del RMR, realizaron análisis de regresión múltiple lineal. El método es interesante; sin embargo, se hace confuso en el desarrollo de la obtención de algunos parámetros como lo es la rapidez de penetración PR.

Métodos alternativos para la predicción del rendimiento de tuneladoras (TBM) en roca En México, el uso de tuneladoras para roca ha sido prácticamente nulo. Con excepción del proyecto “Acuaférico Ramal-Sur” ejecutado por la empresa COTRISA en el año 1994, no se ha realizado algún otro túnel en roca mediante el uso de TBM, ésta tuvo un diámetro del orden de 4 m, (3.20 m terminado). Esto conlleva a que no se cuente con la experiencia necesaria para identificar y tener con certeza un parámetro del desempeño real del rendimiento de una TBM para roca, con excepción de los rendimientos que nos proporcionan los proveedores (Herrenknecht, Robbins, Hitachi Zosen y, NFM Technologies). (fig. 1). Para el caso de túneles excavados en roca, a continuación presentaremos dos métodos alternativos desarrollados por dos autores diferentes con la finalidad de determinar en la medida de lo posible estos requerimientos.

Fig. 1: Rendimientos en tuneladoras para roca, (Herrenknecht, 2007).

Método RME, de Bieniawski Las dos clasificaciones para las masas rocosas más utilizados en la actualidad son las siguientes: • NGI, Instituto Geotécnico de Noruega, determinado por el índice de la calidad de los túneles “Q” propuesto por Barton. • CISR, Consejo de Sudáfrica para la investigación científica e industrial, determinado por el índice de la masa rocosa “RMR” propuesto por Bieniawski. Sin embargo, podemos mencionar que esta clasificación está dada y es válida para clasificar la masa rocosa y su aplicación para los métodos convencionales, es decir, drill and blast (D&B). Bajo este contexto, esta clasificación no es válida para la obtención de rendimientos con máquinas tuneladoras. Bieniawski propuso realizar una modificación a su sistema RMR; esta modificación la denominó RME (índice de excavabilidad de la masa rocosa). Este método se basa en la obtención de cinco parámetros de la roca que integran el RME (tabla 1). Este parámetro se basa en un proceso de análisis lineal discriminante, desarrollado por el Departamento de Estadística y Teoría de Probabilidad de la Universidad Tecnológica de Viena. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta [0-15 puntos] USC (MPa) <5 5 - 30 30 - 90 90 - 180 > 180 5 Puntuación 0(*1) 10 15 0 Perforabilidad [0-15 puntos] 50 - 40 DRI >80 80 - 65 65 - 50 < 40 3 Puntuación 15 10 7 0 Discontinuidades en el frente de la excavación [0-40 puntos] Homogeneidad No. de juntas por metro al eje del túnel Orientación con respecto al eje del túnel Mixto 0-4 4-8 8 - 15 15-30 >30 Perpendicular Oblicua Paralela Homogéneo Puntuación 10 0 5 10 20 15 0 10 5 0 Tiempo de autoestabilidad [0-25 puntos] 96 - 192 Horas <5 5 - 24 24 - 96 >192 15 Puntuación 0 2 10 25 Afluencia de agua [0 - 5 puntos] 10 - 30 litros/seg >100 70 - 100 30 - 70 <10 4 Puntuación 0 1 2 5 Tabla 1. Parámetros de entrada para el cálculo de RME (Bieniawski, 2006)

33 Infraestructura

Hassanpour et al. (2009), basados en los principales proyectos de túneles en Irán y la investigación entre las relaciones de propiedades de la masa rocosa y el desempeño de la TBM, propusieron la estimación del rendimiento de la TBM.


Infraestructura

34 Para la obtención de cada uno de los valores se procede como sigue: Resistencia a la compresión uniaxial: Se obtiene de la prueba de resistencia a la compresión simple en los núcleos de roca obtenidos previamente en los sondeos ejecutados. Perforabilidad: Para este parámetro (DRI, fig. 2) se tienen que realizar dos pruebas: prueba de perforación miniatura de Sievers’J y prueba de fragilidad (Dahl, 2003).

Fig. 2 Obtención del parámetro DRI (Dahl, 2003)

La primera de estas pruebas consiste en obtener el valor promedio de la medición de la profundidad de perforación de cuatro a ocho agujeros en una muestra de roca, realizados con un taladro miniatura de 8.5 mm de diámetro a velocidades mayores de 180 rpm. Para la obtención de la fragilidad se obtiene el porcentaje en peso de una muestra de roca que pase por un tamiz de 11.2 mm, previamente sometido a una compactación dinámica de 20 impactos con un martillo de 25 kg dejado caer desde una altura de 25 cm. La medición abarca un promedio de tres a cinco ensayes. Con ambos valores se entra a un gráfico y se obtiene el valor de DRI. El costo de esta prueba es relativamente alto por lo que para la obtención del parámetro DRI es viable la correlación de la fig. 3 (Yarali and Soyer, 2011). Discontinuidad en el frente de la excavación: Se determina de forma habitual a partir de los resultados obtenidos de la geología superficial y esencialmente de los núcleos obtenidos a la cota del túnel. Tiempo de autoestabilidad: Para este parámetro se utiliza la correlación establecida por Alber (1996) definida como:

(1)

Definido el RMRTBM se obtiene mediante la fig. 3 el tiempo de autoestabilidad.


Fig. 3 Correlación de DRI y cálculo de tiempo de autoestabilidad

Una vez obtenidos los cinco parámetros, el valor del RME se obtiene de la suma de todas las puntuaciones definidas en la tabla 1. Después de definir valor se obtiene la siguiente correlación entre RME y ARA. Para valores USC mayores a 45 MPa:

(2)

(3)

Para valores USC menores a 45 MPa:

Bajo este contexto cabe señalar que las ecuaciones anteriores fueron definidas para una TBM de diámetro de 10 m, por lo que para su aplicación a diámetros diferentes se tiene que realizar la siguiente corrección por diámetro: (4) Ejemplo de aplicación

Fig. 4 Roca caliza en diferentes formaciones.

35 Infraestructura

Este procedimiento se aplicó para el proyecto PH Moctezuma el cual se localiza entre los límites de los estados de Hidalgo, Querétaro y San Luis Potosí. Este túnel contará con una longitud del orden de 54 km de los cuales aproximadamente 37 km serán realizados mediante TBM de doble escudo (double shield). La roca caliza es el tipo de roca predominante en esta zona, esta se muestra en la fig. 4.


En la tabla 2 se presentan los resultados de los análisis ejecutados. Los resultados del rendimiento ARA (m/día) se presentan gráficamente en la fig. 5.

Sondeo USC SR-1 89 SR-2 40 SR-3 72 SR-4 123 SR-5 83 SR-6 78 SR-7 97 SR-8 122 SR-9 112

DRI 64 76 68 55 65 66 61 55 57

RMR 36 51 39 38 61 46 61 62 61

ENTRADA TIPO Homogeneidad Juntas Orientacion RMR TBM Autoestabilidad Afluencia agua usc DRI IV H 23 O 48.8 60 8 15 7 III H 14 O 60.8 200 6 15 10 IV H 22 O 51.2 70 7 15 10 IV H 20 O 50.4 65 8 5 7 II H 6 O 68.8 1000 6 15 10 III H 15 O 56.8 200 9 15 10 II H 6 O 68.8 900 5 5 7 II H 8 O 69.6 1100 6 5 7 II H 7 O 68.8 950 4 5 7

H 10 10 10 10 10 10 10 10 10

PUNTAJE juntas orientacion auto agua RME ARA m/día 15 5 10 5 67 17 20 5 25 5 90 39 15 5 10 5 70 18 15 5 10 5 57 12 10 5 25 5 80 22 15 5 25 5 85 24 10 5 25 5 67 17 20 5 25 5 77 21 10 5 25 5 67 17

ARAKD7 19 44 20 14 25 27 19 24 19

ARAKD5 21 48 22 15 27 30 21 26 21

Tabla. 2 Parámetros para la obtención de RME.

RENDIMIENTOS TBM DOUBLE SHIELD 70 60 50 40 ARA m/día

Infraestructura

36

30 20 10 0 25

50

75

100

RME

ARA m/día

ARA diámetro 7 m

ARA diámetro de 5 m

Fig. 5 Resultados del rendimiento de un doble escudo

Método de regresión multivariable de Hassanpour El análisis presentado por Hassanpour et al., 2011 muestra de un modo simplificado una metodología para la obtención del parámetro ARA. Sus datos de entrada se basan en su mayoría en los parámetros que proporciona la TBM. Los datos de entrada fueron recabados de los tres principales proyectos de túneles en Irán, así como del proyecto del túnel Manapouri terminado recientemente en Nueva Zelanda. Los datos fueron tomados de 158 secciones del túnel de los cuatro proyectos señalados, donde las condiciones del terreno y la información del rendimiento de la máquina eran válidas y verificables; los parámetros se obtuvieron de los registros de operaciones diarias y del registro de datos de la TBM. Los parámetros más importantes incluyendo la tasa de penetración PR, la penetración por revolución P, el

índice de penetración de campo FPI y la energía específica (SE), se obtuvieron de la siguiente forma:

(5)

(6)

(7)

(8)

Donde RP es la velocidad de la tasa de penetración (m/h), Lb es la longitud perforada (m), tb es el tiempo de perforación, P es la penetración de corte de cada cortador en revoluciones (mm/rev), RPM es el número de revoluciones


de corte (rev/min), FPI es el índice de penetración en campo (kN/cortador/mm/rev), Fn es la carga de corte (kN), SE es la energía específica (MJ/m3), Fr es la fuerza de corte (kN), dTBM es el diámetro de la TBM (m), NTBM es el número de discos en el cabezal de corte y rmc es la distancia media de corte desde el centro de giro. En la segunda parte de los datos se incluyeron algunos de los parámetros geológicos, tales como las propiedades de la roca intacta (resistencia a la compresión, resistencia a la tensión y, contenido de cuarzo), las características de la discontinuidad, la separación, el relleno, el ángulo entre el eje del túnel y la discontinuidad a, así como algunos parámetros del macizo rocoso (RQD, RMR, Q, GSI). En el estudio presentado por Hassanpour et al. la regresión tanto de una como de varias variables fue utilizada para investigar las relaciones entre las propiedades de la roca y los parámetros de rendimiento de la TBM, con la finalidad de desarrollar ecuaciones empíricas. Entre todos los parámetros se demuestra en el estudio que el índice de penetración en campo FPI es el que muestra las mejores correlaciones con los parámetros geológicos. Por tal motivo FPI es seleccionado como un parámetro de rendimiento de la máquina TBM adecuado para el desarrollo de estas ecuaciones empíricas. Una vez realizado el análisis considerando las diferentes combinaciones de los parámetros se determinó que los resultados muestran una buena correlación entre el FPI como parámetro de respuesta y los valores de UCS y RQD como datos de entrada. Como resultado, en el modelo estudiado se presentó una nueva ecuación que se define como: (9) El coeficiente de regresión para esta ecuación es del 78.5%. Clasificación de la perforabilidad en un macizo rocoso

La clasificación de un macizo rocoso de acuerdo a su perforabilidad mediante TBM es diferente a la clasificación tradicional que conocemos. Es decir, mediante la clasificación tradicional RMR de Bieniawski, las rocas se clasifican en cinco tipos, desde roca muy mala hasta roca muy buena. Cuando se utiliza el método de D&B ciertamente esto es válido, pero cuando se tiene la roca tipo I se esperan mejores avances que en una roca tipo III que es de clase regular y que en la roca tipo 5 que es roca muy mala. Sin embargo, para el caso de excavación con TBM esto es diferente. Por lo general las rocas masivas menos fracturadas son más difíciles para el avance de los discos cortadores y perforación de la tuneladora, por lo cual requieren un mayor “impulso” para logar un cierto grado de perforación. Por lo tanto, valores más altos de FPI se registran generalmente en masas rocosas “fuertes” y masivas, tales como diques, granitos y vetas cuarciticas (por lo general a 70 kN/cortador/ mm/vuelta). Por otro lado, para una calidad de roca pobre y fracturada (como es el caso de rocas estratificadas, foliadas y esquistosas) no hay necesidad de aplicar los valores altos de empuje para una penetración razonable por lo que los valores de FPI son pequeños y típicamente menores de 10 kN/cortador/mm/rev. Debido a lo anterior el parámetro FPI puede ser utilizado para clasificar la perforabilidad de la masa rocosa. En el artículo motivo de este estudio se tomaron los valores reales medidos de FPI en las secciones de los túneles estudiados, con lo cual se obtuvieron seis clases de perforabilidad de roca, desde la clase más difícil de perforar o clase B-0 (resistente) hasta la más fácil de perforar o de clase B-V (excelente). Cabe señalar que aunque la perforabilidad puede ser excelente en una roca tipo B-V las condiciones generales de estabilidad en la pared del túnel influyen sobre el factor de utilización de los parámetros de la máquina y sobre los factores operativos durante la excavación del túnel.


Infraestructura

38 Ejemplo de aplicación Con la finalidad de presentar un ejemplo de estimación del rendimiento de una tuneladora en función de cada una de las clases de roca así como de las ecuaciones presentadas con anterioridad se incluye la tabla 4. Ejemplo del rendimiento de una tuneladora mediante el método J. Hassanpour Masa rocosa A B C D E Clasificación masa rocosa B-0 B-I B-II B-III B-IV UCS (Mpa) 210 160 100 75 50 RQD (%) 100 100 80 60 40 FPI (kN/cortador/mm/rev) 96 64 29 18 11 Corte Fn (kN/cortador) 200 200 180 180 120 RPM(rev/min) 8 7 5 4 4 P (mm/rev) 2.08 3.11 6.10 10.06 11.06 ROP (m/h) 1.00 1.31 1.83 2.42 2.65 U% 80 80 80 80 30 ARA(m/día) 19 25 35 46 19

F B-V 30 20 7 120 3 17.52 3.15 20 15

Tabla 4 Desarrollo del método de Hassanpour

Conclusiones

Referencias

Ambos métodos, de acuerdo a las publicaciones señaladas, presentan un grado de certeza importante para el cálculo de rendimientos de una TBM de doble escudo; asimismo, son métodos sencillos de utilizar que no requieren pruebas sofisticadas para la obtención de sus parámetros.

Barton, N. (1999). TBM performance estimation in rock using QTBM. Tunnels and tunneling International 31 (9), pp. 30-33

La diferencia esencial entre ambos métodos son los parámetros de entrada que esencialmente se utilizan. Uno se basa en datos geológicos y el otro utiliza además de datos geológicos los parámetros de la TBM. Para el caso de las máquinas TBM en una clase de roca tipo III (denominado aquí B-III) el avance esperado de una tuneladora será el mejor. Se propone que cuando se realice la construcción del túnel de PH Moctezuma se monitoreen todos estos parámetros que se han definido en ambos métodos, con la finalidad de comparar los rendimientos planeados con los rendimientos reales de campo.

Bieniawski, Z.T., Celada B. and Galera, J.M. (2006). TBM excavability: prediction and machine rock interaction, Proceedings, Rapid Excavation and Tunneling Conference, pp. 1118-1130. Gong, Q., Zhao, J. (2009). Development of a rock mass characteristics model for TBM penetration rate prediction. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, Vol. 46 (1), pp. 8-18. Hassanpour, J., Rostami, J. and Zhao, J. (2011). A new hard rock TBM performance prediction model for project planning. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 26, pp. 595-603. Khademi Hamidi, J., Shahrir, K., Rezai, B. and Rostami, J. (2010). Performance Prediction of Hard Rock TBM using Rock Mass Rating (RMR), Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 25, pp. 333-345. Sapigni, M., Berti, M., Behtaz, E., Busillo, A., Cardone, G. (2002). TBM performance estimation using rock mass classification. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, Vol. 39, pp. 771-778. Yagiz, S, (2007). Utilizing rock mass properties for predicting TBM performance in hard rock condition. Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 23 (3), pp. 326-339. Yarali, O. y Soyer, E. (2011). The effect of mechanical rock properties and brittleness on drillability, Scientific Research and Essay, Vol. 6 (5), pp. 1077-1088.


Ingeniería Civil Mexicana

40

Análisis y diseño

del soporte inicial mediante anillos de dovelas, para el tramo VI del TEO, entre las lumbreras

L-23A y L-24A Lizbeth Mendoza Reséndiz Diego Pérez Centeno Marcia Orlanda Oliveira Pinto Juan J. Schmitter Martín del Campo ICA INGENIERÍA

Se presenta el análisis y diseño del túnel de dovelas prefabricadas de concreto reforzado (revestimiento primario) para el cambio del trazo en el tramo 6 del Túnel Emisor Oriente, entre las lumbreras L23A y L24A. La resistencia a la compresión simple disminuyó 200 kg/cm2 a partir de las nuevas condiciones geotécnicas.

ANTECEDENTES El Túnel Emisor Oriente (TEO) formará parte del sistema del drenaje profundo de la Ciudad de México. Para su construcción y operación se construirán 24 lumbreras a profundidades variables entre 32 y 149 m y tendrá una longitud de 62 km aproximadamente (figura 1a). El TEO se ha dividido en seis tramos: Tramo I, lumbreras L-0 a L-5; Tramo II, lumbreras L-5 a L-10; Tramo III, lumbreras L-10 a L-13; Tramo IV, lumbreras L-13 a L-17; Tramo V, lumbreras L-17 a L-20; y Tramo VI, lumbrera L-20 al Portal de Salida (PS). EL TEO es construido mediante seis máquinas tuneladoras TBM del tipo EPB. En el Tramo VI, el túnel es de sección transversal circular, con diámetro exterior de 8.60 m e interior de 7.00 m. El túnel estará soportado inicialmente mediante anillos de dovelas prefabricadas, de concreto reforzado y posteriormente se

le colará un revestimiento definitivo de concreto armado. Tanto los anillos de dovelas como el revestimiento definitivo, tendrán un espesor de 0.40 metros. Los estudios geotécnicos, geológicos y geohidrológicos desarrollados para el proyecto originalmente planteado para el Tramo VI, pusieron de manifiesto la presencia de zonas estratigráficas heterogéneas y muy complejas, lo cual podría afectar notoriamente el buen desempeño de la tuneleadora, sin mencionar las complicaciones que pueden surgir por eventuales cambios en las herramientas de corte. Para evitar tales situaciones problemáticas, se planteó modificar el trazo original del proyecto, considerando un nuevo trazo alterno que inicia desde la lumbrera L-20 llegando también al PS, como se muestra en la línea punteada de la figura 1b.


a)

b)

c)

Figura 1: Localización y geología del TEO, Tramo VI (Oliveira et al., 2011a)

Modelos geotécnicos

La estratigrafía a lo largo del trazo alterno está constituida en los primeros metros por tobas y cenizas volcánicas, clasificables geotécnicamente como arcillas arenosas con intercalaciones de arenas aluviales limosas con gravas. Le subyacen basaltos masivos y vesiculares, con fracturas rellenas de una matriz areno-arcillosa. A la postre, se presenta una alternancia de tobas con arena fina, que pertenecen a los abanicos aluviales. Finalmente, le subyacen limos consolidados de color café a gris claro, de la Formación Taximay Superior (figura 1c).

Esta Formación Taximay se caracteriza por tenerpermeabilidad y transmisibilidad bajas, debido probablemente a su avanzada consolidación. Sin embargo, el intenso tectonismo que la ha afectado le ha impartido una notoria permeabilidad secundaria. Esto hace pensar que la máquina tuneleadora puede enfrentarse en ciertos puntos a significativas aportaciones de agua, que contrastarán con reducidas filtraciones de agua que se espera tenga en general la Formación Taximay Superior. Cabe mencionar que la Formación Taximay Inferior está más fracturada que la Superior.

41 Ingeniería Civil Mexicana

Condiciones geotécnicas

El túnel del TEO, entre las lumbreras L-23A y L-24A, cruzará la Formación Taximay Superior, la cual se caracteriza por contener depósitos muy consolidados. Por tanto, el hundimiento regional y la amplificación dinámica se pueden considerar despreciables en esta zona. En las tablas 1 y 2 se presentan los modelos geotécnicos para el análisis del túnel en las lumbreras L-23A y L-24A. Cada tabla está compuesta por diez columnas; de la columna cinco hasta la diez se presentan los parámetros índice, resistencia y deformación, representativos, como g: peso volumétrico; c: cohesión, f: ángulo de fricción; n: relación de Poisson, k0: coeficiente de empuje del suelo en reposo y E: módulo de deformación.


Ingeniería Civil Mexicana

42 No.

ESTRATO

SIMBOLOGÍA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2 D E F G H I J K

CL CL CH SC CH

No.

ESTRATO

SIMBOLOGÍA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

A B C D E F1 F2 F3 F4 F5 G H1 H2 H3

MH CL SC-ML ML CL

Basalto vesicular Basalto masivo

SM CL ML SM MH SM Gravas y boleos

MH

Basalto vesicular Basalto vesicular Basalto masivo Escoria volcánica Basalto masivo

ML MH MH MH

ESPESOR m

g kN/m3

c kPa

f °

n -

k0 -

E kPa

3.0 8.0 9.5 2.2 12.6 6.7 17.5 13.0 3.6 11.4 0.8 4.4 3.3 4.8 24.2

13.0 18.0 17.0 16.6 17.0 22.4 27.4 17.5 17.5 17.1 16.5 18.2 18.2 20.0 17.4

100.0 950.0 725.0 1748.0 700.0 15,500 45,000 2200 1341.5 835.0 535.5 432.0 424.0 1000 795.0

19.3 21.1 19.3 24.2 19.3 37.6 46.9 33.4 19.3 27.4 39.1 19.3 33.4 33.4 23.0

0.40 0.39 0.40 0.37 0.40 0.28 0.21 0.31 0.40 0.35 0.27 0.40 0.31 0.31 0.38

0.67 0.64 0.67 0.59 0.67 0.39 0.27 0.45 0.67 0.54 0.37 0.67 0.45 0.45 0.61

14,219 145,913 125,467 270,256 154,064 4’170,869 8’144,090 222,188 425,067 193,354 123,948 65,504 65,504 123,948 257,950

ESPESOR m

g kN/m3

c kPa

f °

n -

k0 -

E kPa

2.4 4.3 2.9 3.3 1.3 5.1 6.6 4.6 7.8 4.7 7.5 9.5 21 14.1

17.8 18.6 18.5 16.2 18.8 21.7 22.1 27.1 22.0 25.5 16.1 16.0 17.8 17.5

174.1 526.3 0.0 453.5 732.5 14,246 13,285 48,759 0.0 12,875 0.0 246.6 1,434 710.7

12.0 19.0 32.0 19.0 22.0 34.0 42.0 34.0 32.0 42.0 39.0 19.0 27.0 22.0

0.42 0.40 0.32 0.40 0.38 0.30 0.23 0.30 0.32 0.22 0.27 0.40 0.35 0.38

0.72 0.67 0.47 0.67 0.61 0.43 0.30 0.43 0.47 0.29 0.37 0.67 0.54 0.61

14,219 127,479 183,619 191,317 183,619 14’070,576 15’531,587 20’971,521 19’473,737 17’975,954 195,436 40,466 213,956 129,519

Tabla 1: Modelo geotécnico para el análisis del túnel en la L-23A (Oliveira et al., 2011b).

Piezometría

Análisis geotécnico

En la lumbrera L-23A se determinó el Nivel de Aguas Freáticas (NAF) a 60.0 m de profundidad; más abajo la distribución de la presión del agua es prácticamente hidrostática. En la L24A se detectó el NAF a 55.0 m de profundidad y también más abajo, la distribución de la presión del agua es prácticamente hidrostática. En cada lumbrera se instalaron tres piezómetros y un tubo de observación, a las profundidades de 70.0, 98.9 y 150  m en la L‑23A, mientras que en la L-24A fueron instalados a las profundidades de 35.0, 45.0 y 81.0 m.

Este análisis se compone de dos partes, la primera a partir de la curva característica del medio (método analítico) y la segunda con base en el método del elemento finito. En este análisis se considera que el soporte inicial durará 18 meses, antes de que se instale el revestimiento definitivo.

Curva característica En este método se adoptó un modelo geotécnico homogéneo equivalente sobre la clave del túnel (Tamez et al., 1997). Las propiedades equivalentes en la L-23A son c=72.51 t/

m2, f=28.04°, E=13,745.56 t/m2, n=0.34, P0 =215.71  t/m2, r0 =4.30  m y H0 =108.91 m. Las propiedades equivalentes en la L-24A son c=82.58  t/ m2, f=22.80°, E=12,519.91  t/m2, n=0.38, P0 =144.15 t/m2, r0 =4.30 m y H0 =71.24 m; donde P0 =presión geoestática, r0 =radio del túnel y H0 =profundidad del eje del túnel. El túnel en la vecindad de la L-23A presenta una cobertura mayor a 37.00 m en comparación con el túnel en la vecindad de la L-24A. De las curvas características obtenidas (figura 2), la correspondiente al sitio vecino a la L-23A presenta el desplazamiento radial mayor y por lo tanto es la condición geotécnica más crítica para el análisis y diseño del soporte inicial del túnel.


Método del Elemento Finito (MEF) Este método de análisis considera la siguiente secuencia constructiva: Etapa 1) Aplicación de una sobrecarga de 15.00 kPa; Etapa 2) Excavación con el escudo; Etapa 3) Desplazamiento radial inducido en la zona del faldón del escudo; y Etapa 4) Colocación del anillo de dovelas. En la zona vecina a la L-23A el desplazamiento radial acumulado calculado es de 4.18  cm, menor que el desplazamiento permisible que se observó con los métodos analíticos (tabla 3). Figura 2: Curva característica en los sitios vecinos a las lumbreras L-23A y L-24A (Oliveira et al., 2011a)

Cabe mencionar que estas curvas características nos orientan para conocer la máxima deformación que se puede inducir al subsuelo, al calcularse mediante métodos numéricos. Si el túnel se considera impermeable, es razonable esperar que al menos se presentara la presión del agua alrededor del túnel. Es decir, en la vecindad de la L-23A el túnel admitiría una deformación radial máxima de 6.50 cm y en la vecindad de la L-24A, de 4.50 cm.

UBICACIÓN L-23A L-24A

Máx. Mín. Máx. Mín.

c %

EI %

1.00

7

0.42

8

El programa PLAXIS, basado en el MEF, simula un elemento estructural monolítico y sin interacción entre anillos; por tanto, se ha considerado para el análisis disminuir el EI en un proceso iterativo hasta alcanzar una compatibilidad de deformación con los resultados del programa estructural SAP 2000, para simular el efecto de las articulaciones. En la tabla 3 se presenta la calibración y el resumen de la contracción, la reducción del EI, los elementos mecánicos [carga axial (N), cortante (Q) y momento (M)] y las convergencias/divergencias, en la placa del túnel en los sitios vecinos a las lumbreras L-23A y L-24A. Las magnitudes máximas tienen lugar en la vecindad de la L-23A (condición desfavorable); por tanto, ésta será la sección seleccionada para el análisis estructural.

N kN/m -2,683 -4,379 -2,718 -4,054

Q kN/m 41.78 -41.83 33.94 -33.94

M kN.m/m 86.21 -81.37 69.35 -70.48

d horizontal mm 13.40P 12.60S

d vertical mm 17.65P 18.31S

12.10P 9.99S

16.15P 15.51S

Tabla 3: Resumen de la contracción, la reducción del EI, los elementos mecánicos, convergencias y divergencias para las lumbreras L-23A y L-24A. P PLAXIS, S SAP 2000 (Oliveira et al., 2011b)

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Ingeniería Civil Mexicana

44 Análisis estructural

Estado límite de servicio

Verificaciones por estados límite

El diseño estructural del revestimiento primario a base de dovelas se deberá diseñar para el 100% de las acciones producidas por el suelo y/o la roca y garantizar una deformación diametral máxima no mayor que 0.005 veces el diámetro del túnel. La deformación permisible es 41.00 mm y en este análisis se evaluaron deformaciones entre 12.6 mm (divergencia horizontal) y 18.3 mm (convergencia vertical), lo cual resultó menor que lo permisible.

Este análisis se efectúa a partir de las revisiones de los estados límite (de falla y de servicio), las cuales han sido establecidas en las Normas Técnicas Complementarias (NTCDCEC, 2004) del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. Estas revisiones se desglosan en tres procedimientos: a) Inicialmente se aplican las cargas obtenidas en el análisis geotécnico para obtener los elementos mecánicos; b) posteriormente se aplican los factores de carga (1.4, acción permanente general y 1.1, combinación de cargas muertas más sismo); y finalmente, c) se obtiene el armado estructural de las dovelas empleando factores de resistencia (de 0.8 para el acero y el concreto y de 0.7, para el aplastamiento del concreto). Para el análisis de estas revisiones se ha empleado un modelo estructural de barras (figura 3), el cual considera la presencia de las juntas longitudinales entre las dovelas y la interacción entre anillos contiguos. Las propiedades estructurales son: f’c de 500 kg/cm2 y fy de 4200 kg/cm2. El soporte inicial del túnel consiste en anillos de dovelas de concreto armado, de manera que el túnel estará formado por un sistema de anillos articulados acoplados entre sí y confinados por el terreno circundante. Cada anillo está formado por ocho segmentos: cinco normales, dos tangenciales y una cuña de cierre o K (fórmula 7+1). En esta revisión se simulará la aportación de los anillos acoplados por fricción y/o por sistemas de acoplamiento mecánicos (anillos contiguos), y se induce una rigidez adicional. Para la modelación se utiliza un par de resortes (acoplamiento por fricción) de conexión entre anillos de cada una de las dovelas. Las juntas longitudinales condicionan la resistencia del concreto. El giro y el momento flector que transmite la junta es función de la geometría de la junta, de la rigidez del concreto y también de los elementos mecánicos actuantes. Acoplamiento entre anillos

Anillo de dovelas 2 Anillo de dovelas 1

Representación del Modelo de barras: �Del anillo de dovelas 1 se obtienen los elementos mecánicos �Anillo de dovelas 2 simula la contribución de dos medios anillos contiguos �Ambos anillos tienen las mismas propiedades geométricas y de material

Junta entre dovelas del anillo 1

�La separación mostrada entre anillos es representativa para fines de visualización, ya que en el modelo la separación es 1 cm.

Figura 3: Modelo de barras empleado

Junta entre dovelas del anillo 2

Cálculo de elementos mecánicos con el modelo estructural y geotécnico del terreno vecino a la lumbrera L-23A Los esfuerzos de interacción con el suelo que actúan sobre el revestimiento se aplican al modelo estructural de barras como fuerzas actuando sobre los nodos del modelo, tal como se muestra en la figura 4. Los elementos mecánicos resultantes se representan en la figura 5.

Diseño a flexocompresión De acuerdo con los resultados de los análisis geotécnico y estructural desarrollados en los capítulos anteriores se realizará el diseño a flexocompresión de la sección más crítica que corresponde al modelo de la lumbrera L-23A. Una vez determinados los elementos mecánicos se procede ahora con el diseño estructural conforme a los lineamientos indicados en el Reglamento de Construcción para el Distrito Federal (RCDF) y sus Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTCDCEC, 2004).

Diseño complementario También se realizó el diseño de refuerzo por cortante, temperatura, tensión en zona de contacto entre dovelas, tensión en zona de empujes de cilindros del escudo y verificación del acoplamiento (machihembrado). En cuanto a la resistencia a compresión del concreto, ésta se calcula mediante el aplastamiento en las juntas. También se revisa la resistencia del concreto y refuerzo mínimos para el desmolde, almacenamiento y manipulación de dovelas.


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46 Ingeniería Civil Mexicana

CONCLUSIONES

a) Carga horizontal del terreno

b) Carga vertical del terreno

Conforme al estado actual del conocimiento para el diseño geotécnico y estructural del soporte inicial (anillo de dovelas) de este túnel entre las lumbreras L-23A y L-24A, fue necesario utilizar dos programas de computo especializados, uno para geotecnia (PLAXIS 2D) y otro para estructuras (SAP  2000), lo cual permitió determinar un f’c de 500  kg/cm2 para el anillo de dovelas.

Agradecimientos c) Carga horizontal del agua d) Carga vertical del agua Figura 4: Fuerzas sobre el modelo estructural de barras [kN/m]

Agradecemos el apoyo de COMISSA por facilitarnos la información del túnel de dovelas entre las lumbreras L-23A y L-24A, en especial a los ingenieros Hugo Rodriguez y Alberto Porras.

REFERENCIAS Tamez, E., Rangel, J.L. y Holguín E. (1997). Diseño geotécnico de túneles. Editorial TGC Geotecnia, México, D.F. M [kN-m/m]

N [kN/m]

Q [kN/m]

Figura 5. Elementos mecánicos resultantes

Armado de dovelas Con los lineamientos propuestos en las NTCDCEC del RCDF, además de los Términos de Referencia establecidos por el cliente, se obtiene el armado de las dovelas como se presenta en la figura 6.

Oliveira Pinto, MO, Pérez Centeno, D., Rodríguez Olvera, H. y Porras López A., (2011). Análisis Geotécnico del Revestimiento Primario del Túnel entre las Lumbreras 23A y 24A, para el Tramo 6A, Túnel Emisor Oriente. CONAGUA/COMISSA. Oliveira Pinto, MO, Pérez Centeno, D., Rodríguez Olvera, H. y Porras López A., (2011). Modelo Geotécnico del Revestimiento Primario del Túnel entre las Lumbreras 23A y 24A, para el Tramo 6A, Túnel Emisor Oriente. CONAGUA/COMISSA. Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto (NTCDCEC), del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (2004), Gaceta Oficial del Distrito Federal.

Figura 6: Armado de dovelas


48

Libros

Diseño Geotécnico de Túneles

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iseño Geotécnico de Túneles, es un texto mexicano que aplica las nuevas técnicas desarrolladas por la Mecánica de Suelos y la Mecánica de Rocas al diseño y construcción de túneles, con un formato muy interesante que simplifica su aplicación por ingenieros con conocimientos básicos de Geotecnia. El texto se basa en las nuevas tecnologías y en la experiencia adquirida en la construcción de túneles en la complicada geología del Valle de México y en otras zonas urbanas do Estados Unidos y Europa. Utiliza mecanismos simplificados, basados en la mecánica de suelos y rocas, para analizar la estabilidad del frente, la interacción del terreno con el revestimiento, el diseño del revesti-

miento, los asentamientos, etc. Da un resumen de ecuaciones y la metodología del diseño. Para la mayoría de los túneles este análisis puede ser suficiente. Si los problemas son complicados o se trata de obras muy costosas, propone afinar el análisis utilizando el Método de Elementos Finitos. Después describe la aplicación del método simplificado en cinco ejemplos, tres en el Valle de México y dos en Monterrey. Es seguro que esta publicación será de gran utilidad para la ingeniería Civil mexicana en el campo del diseño de túneles; sin duda la aplicación de los análisis propuestos resultará en más seguridad y economía, y se requerirá más exploración y pruebas de laboratorio y de campo para que la aplicación de la metodología dé resultados confiables. La mala calidad

de la información geotécnica puede producir errores mucho mayores que la simplificación introducida en los modelos de análisis. Este libro constituye una verdadera lección del Arte de Resolver Problemas Geotécnicos, También se podría decir que es una lección de talento y creatividad en el análisis de las condiciones de falla de un túnel, que permite al ingeniero joven y al no especialista interpretar la seguridad durante la construcción de cualquier túnel. Es un libro igualmente útil en la mesa de diseño y en el frente de excavación, porque desmitifica el diseño y facilita las decisiones del constructor, permitiendo alcanzar el objetivo final de construir túneles seguros, económicos y adaptados a la naturaleza


nº 60 diciembre 2013 Especial Túneles "TEO Túnel Emisor Oriente"  
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