Construcción de túneles

La introducción a la construcción de túneles implica comprender el propósito, la historia y los conceptos básicos de la construcción de túneles.

Un túnel es un pasaje subterráneo que se excava a través del suelo, la roca o ambos. Los túneles se utilizan para transporte, conducción de agua, alcantarillado y conductos de servicios públicos. Tienen una larga historia de uso, que se remonta a civilizaciones antiguas, y se han vuelto cada vez más importantes en la sociedad moderna para el transporte y el desarrollo de infraestructura.

Los conceptos básicos de la construcción de túneles involucran una serie de pasos que incluyen la topografía y la investigación del sitio, el diseño del túnel, la excavación y construcción, y el trabajo de acabado final. Estos pasos deben planificarse y ejecutarse cuidadosamente para garantizar la seguridad y durabilidad del túnel, así como para minimizar el impacto en el entorno circundante.

La construcción de túneles también implica el uso de equipos y técnicas especializados, como máquinas perforadoras de túneles, explosivos y sistemas de apoyo, que requieren trabajadores e ingenieros calificados. El proceso de construcción también debe tener en cuenta los peligros potenciales, como las aguas subterráneas, la inestabilidad del suelo y el riesgo de colapso.

En general, la construcción de túneles es un proceso complejo y exigente que requiere una cuidadosa planificación, ejecución y supervisión para garantizar la finalización exitosa del proyecto.

Propósito y tipos de túneles.

Los túneles son pasajes subterráneos construidos a través de una variedad de materiales de roca o suelo. El propósito de los túneles varía y pueden usarse para transporte, suministro de agua, alcantarillado, energía hidroeléctrica, minería y otros fines.

Los túneles se pueden clasificar en términos generales en las siguientes categorías según su propósito:

1. Túneles de transporte: estos túneles se construyen para el tráfico vehicular, el transporte ferroviario y el uso peatonal. Los ejemplos incluyen túneles de carretera, túneles ferroviarios y pasarelas peatonales.
2. Túneles de servicios públicos: estos túneles se utilizan para transportar tuberías, cables y otros servicios públicos, como agua, gas, electricidad y telecomunicaciones.
3. Túneles mineros: Estos túneles se construyen en operaciones mineras para la extracción de minerales y minerales.
4. Túneles de energía hidroeléctrica: Estos túneles se utilizan para conducir agua a las centrales hidroeléctricas, donde se aprovecha la fuerza del agua para generar electricidad.
5. Túneles de aguas residuales: estos túneles se utilizan para transportar aguas residuales de un lugar a otro, generalmente desde una planta de tratamiento hasta un punto de descarga.

El tipo de túnel elegido para un proyecto específico dependerá de su propósito previsto, así como de las condiciones geológicas y ambientales del sitio.

Antecedentes históricos de la construcción de túneles

La historia de la construcción de túneles se remonta a miles de años, con ejemplos tempranos de túneles utilizados con fines de riego, minería y transporte. Los antiguos griegos y romanos eran conocidos por su ingeniería de túneles, con túneles utilizados para acueductos, sistemas de alcantarillado y transporte. En la Edad Media, los túneles se construyeron con fines defensivos, como rutas de escape secretas o para realizar ataques sorpresa a las fortalezas enemigas.

En la era moderna, la construcción de túneles avanzó significativamente con la introducción de técnicas de perforación y voladura en el siglo XIX. El desarrollo de la máquina perforadora de túneles (TBM) a mediados del siglo XX revolucionó aún más la construcción de túneles al permitir una excavación más rápida y eficiente. Hoy en día, los túneles se construyen para una amplia gama de propósitos, incluido el transporte (como carreteras, ferrocarriles y subterráneos), transporte de agua, minería y almacenamiento.

Investigación del sitio y consideraciones geológicas

La investigación del sitio y las consideraciones geológicas son aspectos críticos de los proyectos de construcción de túneles. Es necesaria una investigación exhaustiva del sitio para determinar las condiciones geológicas y geotécnicas en la ubicación propuesta del túnel, así como para identificar cualquier peligro geológico potencial que pueda afectar la construcción y operación del túnel. Las condiciones geológicas del sitio pueden tener un impacto significativo en el diseño del túnel, los métodos de construcción y el costo general del proyecto.

La investigación del sitio generalmente implica una combinación de mapeo geológico, estudios geofísicos y perforación para obtener muestras de suelo y roca para pruebas de laboratorio. El mapeo geológico implica el estudio de formaciones rocosas superficiales y sus características, incluida su orientación, resistencia y permeabilidad. Los estudios geofísicos utilizan técnicas no invasivas para investigar las formaciones rocosas del subsuelo y detectar cualquier anomalía que pueda indicar la presencia de peligros geológicos como fallas, fracturas y aguas subterráneas. La perforación proporciona una comprensión más detallada de las condiciones del subsuelo mediante la obtención de muestras de suelo y rocas para las pruebas de laboratorio.

Las consideraciones geológicas durante la construcción del túnel incluyen el tipo y la resistencia de la roca o el suelo a través del cual se está excavando el túnel, la presencia de agua subterránea y sus características de flujo, la posibilidad de actividad sísmica y el potencial de peligros geológicos como deslizamientos de tierra y desprendimientos de rocas. Las condiciones geológicas también pueden afectar la elección del método de excavación de túneles, como el uso de una máquina perforadora de túneles en lugar de métodos de perforación y voladura.

En general, una investigación exhaustiva del sitio y la comprensión de las condiciones geológicas en la ubicación del túnel son fundamentales para la construcción segura y exitosa de un túnel.

Importancia de la investigación del sitio

La investigación del sitio es un aspecto importante de la construcción de túneles, ya que ayuda a identificar peligros geológicos potenciales y otros factores que podrían afectar el proceso de construcción. Una investigación exhaustiva del sitio puede ayudar a determinar las características del suelo y la roca, la presencia de agua subterránea y el potencial de actividad sísmica. Esta información se puede utilizar para desarrollar un diseño adecuado para el túnel, así como para identificar cualquier riesgo o desafío potencial que deba abordarse durante el proceso de construcción. Además, una investigación del sitio puede ayudar a identificar los posibles impactos ambientales o sociales del proyecto, que pueden abordarse mediante las medidas de mitigación adecuadas. En general, una investigación del sitio es un paso crítico en el proceso de construcción del túnel, ya que brinda información importante para el diseño y la construcción de un túnel seguro y efectivo.

Métodos de investigación del sitio.

Hay varios métodos que se pueden utilizar para la investigación del sitio para la construcción de túneles. Algunos de los métodos comunes son:

1. Estudio de escritorio: Un estudio de escritorio implica una revisión de la literatura existente, mapas geológicose informes, y cualquier otra información relevante sobre el sitio.
2. Encuesta geofísica: Esto implica el uso de diversas técnicas geofísicas para obtener información sobre el subsuelo, como estudios sísmicos, radares de penetración terrestre, estudios de resistividad y estudios electromagnéticos.
3. pozos: Se perforan pozos en el suelo para obtener muestras de suelo y roca para pruebas de laboratorio. También se pueden utilizar para obtener mediciones in situ de la presión y la permeabilidad del agua subterránea.
4. pozos de prueba: Los pozos de prueba son excavaciones realizadas para proporcionar una inspección visual del subsuelo y se pueden usar para obtener muestras de suelo para pruebas de laboratorio.
5. Mapeo de campo: El mapeo de campo implica el mapeo de la geología de la superficie, las estructuras geológicas y cualquier característica de la superficie que pueda afectar la construcción del túnel.
6. Instrumentación: Se pueden instalar varios instrumentos para medir el comportamiento del suelo durante la construcción del túnel. Estos instrumentos pueden incluir inclinómetros, piezómetros y galgas extensométricas.

Los métodos utilizados para la investigación del sitio dependerán de las condiciones específicas del sitio y los requisitos del proyecto.

Factores geológicos que afectan la construcción de túneles

Los factores geológicos juegan un papel importante en la viabilidad y el diseño de un proyecto de construcción de túneles. Algunos de los factores geológicos importantes que afectan la construcción de túneles incluyen:

1. Tipo de roca o suelo: El tipo de roca o suelo a través del cual se construye un túnel afectará significativamente su diseño, estabilidad y método de construcción.
2. Calidad del macizo rocoso: La calidad del macizo rocoso, incluidas sus características de resistencia, estabilidad y deformación, puede afectar el diseño del túnel, el método de excavación y los requisitos de soporte.
3. Estructuras geológicas: Estructuras geológicas tales como fallas, diaclasas, planos de estratificación y pliegues puede afectar significativamente el diseño del túnel, el método de excavación y los requisitos de soporte.
4. Agua subterránea: La presencia y el flujo de agua subterránea pueden afectar la construcción del túnel al aumentar el riesgo de ingreso de agua y causar inestabilidad en la roca o el suelo circundantes.
5. Sismicidad: Los túneles construidos en regiones sísmicamente activas deben diseñarse para resistir las tensiones y deformaciones causadas por terremotos.
6. Estabilidad de taludes: La estabilidad de los taludes y laderas circundantes puede afectar la construcción y la seguridad del túnel.
7. Consideraciones ambientales: Los túneles construidos en áreas ambientalmente sensibles deben diseñarse para minimizar su impacto en el ecosistema circundante.

En general, una investigación detallada del sitio es crucial para comprender los factores geológicos que pueden afectar la construcción del túnel y desarrollar un plan de construcción y diseño de túnel adecuado.

Sistemas de clasificación de macizos rocosos

Los sistemas de clasificación de macizos rocosos se utilizan para evaluar la calidad de los macizos rocosos y evaluar su idoneidad para la construcción de túneles. Estos sistemas toman en cuenta una variedad de factores, incluyendo la resistencia de la roca, las discontinuidades, el espaciamiento de las juntas, desgastey las condiciones del agua subterránea.

Un sistema de clasificación de macizos rocosos comúnmente utilizado es el sistema Rock Mass Rating (RMR), que fue desarrollado por Bieniawski en 1973. RMR asigna valores numéricos a diferentes parámetros, como la resistencia a la compresión uniaxial, el espaciado de las discontinuidades y las condiciones del agua subterránea. Luego, los valores se combinan para dar una calificación general del macizo rocoso, que se puede usar para predecir la dificultad de hacer un túnel a través de la roca.

Otro sistema de clasificación de macizos rocosos comúnmente utilizado es el sistema Q, que fue desarrollado por Barton et al. en 1974. El sistema Q usa parámetros similares al sistema RMR, pero pone más énfasis en la orientación y persistencia de las discontinuidades.

Otros sistemas de clasificación de macizos rocosos incluyen el sistema del índice de fuerza geológica (GSI), que fue desarrollado por Hoek en 1994, y el sistema del índice de calidad de túneles (TQI), que fue desarrollado por Grimstad y Barton en 1993.

diseño de túnel

El diseño de túneles es el proceso de determinar los medios más efectivos y eficientes para excavar un túnel en función de las condiciones geológicas y el uso previsto del túnel. El proceso de diseño generalmente involucra los siguientes pasos:

1. Establecer el propósito del túnel.: El propósito del túnel debe estar claramente definido para determinar el tamaño, la forma y la alineación apropiados del túnel.
2. Investigación geológica y geotécnica: este paso implica la recopilación de datos sobre las características geológicas y geotécnicas del sitio, como el tipo de roca, la resistencia y la estabilidad, las condiciones del agua subterránea y la presencia de fallas u otras características geológicas que podrían afectar el diseño y la construcción del túnel.
3. Alineación de túneles: La alineación del túnel se basa en factores como el uso previsto del túnel, las condiciones geológicas y topográficas del sitio y cualquier consideración ambiental. Los factores que influyen en la alineación de un túnel incluyen la presencia de fallas u otras características geológicas, la ubicación de las estructuras superficiales y la necesidad de minimizar los impactos ambientales.
4. Sección transversal del túnel: La sección transversal del túnel está determinada por el propósito del túnel, el tráfico anticipado u otras cargas y las condiciones geológicas. La sección transversal puede ser circular, elíptica, en forma de herradura u otras formas dependiendo de las condiciones del sitio.
5. Sistema de apoyo: El sistema de soporte está diseñado para estabilizar el túnel durante y después de la excavación. El sistema de soporte puede incluir pernos de roca, hormigón proyectado, nervaduras de acero y/o revestimiento de hormigón.
6. Ventilación y drenaje: Los sistemas de ventilación y drenaje están diseñados para garantizar una operación segura y eficiente del túnel. Los sistemas de ventilación se utilizan para eliminar los gases de escape y proporcionar aire fresco a los trabajadores y pasajeros, mientras que los sistemas de drenaje se utilizan para eliminar el agua del túnel y evitar inundaciones.
7. Métodos de construcción: Se pueden usar varios métodos de construcción para la excavación de túneles, incluidos perforación y voladura, máquinas perforadoras de túneles (TBM) y métodos de excavación secuencial (SEM). La selección del método de construcción apropiado depende de las condiciones geológicas, el uso previsto del túnel y los equipos y recursos disponibles.
8. Estimación de costos: El paso final en el proceso de diseño del túnel es estimar el costo de construcción en base a las especificaciones de diseño, el método de construcción seleccionado y las condiciones anticipadas del sitio.

En general, el diseño de túneles es un proceso complejo que requiere la experiencia de geólogos, ingenieros y otros especialistas para garantizar la construcción segura y eficiente de túneles que cumplan con el propósito previsto.

Parámetros y consideraciones de diseño

El diseño de un túnel depende de una serie de factores, entre ellos:

1. Propósito del túnel: El diseño del túnel dependerá del uso previsto. Por ejemplo, un túnel de carretera tendrá diferentes requisitos de diseño que un túnel utilizado para el transporte por agua.
2. Condiciones del sitio: La geología y la topografía del sitio influirán en el diseño del túnel. Se deberán considerar factores como la resistencia de la roca, la entrada de agua y los requisitos de soporte del suelo.
3. Dimensiones del túnel: El diámetro del túnel, su longitud y su alineación deberán determinarse en función de las condiciones del sitio y el propósito del túnel.
4. Método de excavación: El método utilizado para excavar el túnel también influirá en el diseño. Los métodos como perforación y voladura, máquinas perforadoras de túneles (TBM) y corte y cobertura tendrán diferentes requisitos.
5. Ventilación: El diseño del túnel deberá incluir disposiciones de ventilación para garantizar la seguridad de los trabajadores y usuarios del túnel.
6. Drenaje: El diseño del túnel también deberá incluir disposiciones para el drenaje para gestionar la entrada de agua subterránea y evitar inundaciones.
7. Protección contra el fuego: Será necesario incorporar medidas de protección contra incendios en el diseño del túnel para garantizar la seguridad de los usuarios.
8. Sistemas de tráfico y seguridad: Los sistemas de tráfico y seguridad, como iluminación, señalización y teléfonos de emergencia, también deberán incluirse en el diseño.
9. Consideraciones ambientales: El diseño del túnel deberá considerar el impacto potencial de la construcción y operación en el medio ambiente y tomar medidas para minimizar estos impactos.

Tipos de revestimientos de túneles y sistemas de soporte

Hay varios tipos de revestimientos de túneles y sistemas de soporte utilizados en la construcción de túneles, y la elección de cuál usar depende de una variedad de factores que incluyen las condiciones geológicas, el propósito del túnel, el método de construcción y el presupuesto. Algunos de los tipos más comunes de revestimientos de túneles y sistemas de soporte incluyen:

1. Revestimiento de hormigón proyectado: esta es una capa de hormigón rociada sobre la roca o el suelo para brindar apoyo y evitar el colapso. A menudo se usa en túneles de suelo blando y se puede aplicar rápidamente.
2. Soporte de nervaduras de acero: Las nervaduras de acero se utilizan para soportar las paredes y el techo del túnel. Las nervaduras de acero se pueden prefabricar e instalar rápidamente, lo que las convierte en una opción popular en túneles de roca dura.
3. Revestimiento de hormigón moldeado en el lugar: esto implica verter hormigón en la cavidad del túnel para formar un revestimiento permanente. A menudo se usa en túneles más grandes con altos volúmenes de tráfico.
4. Máquinas perforadoras de túneles (TBM): las tuneladoras se pueden usar para excavar túneles y brindar apoyo al mismo tiempo. A medida que avanza la tuneladora, se instalan dovelas de hormigón detrás para formar un revestimiento.
5. Congelación del suelo: este método consiste en congelar el suelo circundante para formar un sistema de soporte temporal. A menudo se utiliza en túneles que atraviesan rocas o suelos acuíferos.
6. Pernos de roca y malla: este método consiste en perforar agujeros en la roca e instalar pernos de acero para brindar soporte. La malla de alambre también se usa para ayudar a estabilizar la roca y evitar que caigan escombros en el túnel.
7. Hormigón proyectado reforzado con fibra: es similar al revestimiento de hormigón proyectado pero con la adición de refuerzo de fibra para aumentar la resistencia y la durabilidad.

La elección del sistema de revestimiento y soporte es a menudo una compensación entre el costo, la velocidad de construcción y las condiciones geológicas específicas encontradas durante la excavación.

Sistemas de drenaje de túneles

Los sistemas de drenaje de túneles son esenciales para eliminar el agua que pueda ingresar al túnel durante la construcción y operación. Hay varios tipos de sistemas de drenaje de túneles, que incluyen:

1. Pozos de deshidratación: Se instalan cerca del túnel para interceptar y recoger el agua subterránea antes de que entre en el túnel. Los pozos de drenaje pueden ser permanentes o temporales.
2. Galerias de drenaje: Son sistemas de drenaje integrados en el revestimiento del túnel que recogen el agua y la canalizan hacia un sumidero o estación de bombeo.
3. Los sumideros: Estas son cámaras construidas en puntos bajos del túnel donde el agua puede acumularse y bombearse.
4. Bomba: Las bombas se utilizan para extraer el agua de los sumideros del túnel y galerías de drenaje y descargarla a la superficie oa una planta de tratamiento de agua.

El tipo de sistema de drenaje utilizado depende de la geología e hidrología del área, así como del método de construcción y la alineación del túnel. El diseño y la instalación adecuados de los sistemas de drenaje del túnel son importantes para garantizar la seguridad y la durabilidad a largo plazo del túnel.

Ventilación e iluminación

La ventilación y la iluminación son aspectos importantes de la construcción de túneles para garantizar la seguridad, mantener una calidad de aire adecuada y brindar visibilidad a los trabajadores y usuarios. Los sistemas de ventilación están diseñados para proporcionar un flujo constante de aire fresco al túnel mientras eliminan el aire viciado, el polvo y los gases nocivos. El sistema de ventilación generalmente se compone de una red de conductos de ventilación, ventiladores y sistemas de monitoreo de la calidad del aire.

La iluminación también es un aspecto esencial de la construcción de túneles, en particular para la seguridad y la visibilidad. Los sistemas de iluminación generalmente están diseñados para proporcionar una iluminación adecuada para los conductores, peatones y trabajadores en el túnel. El sistema de iluminación puede estar compuesto por varios tipos de luces, como fluorescentes, LED y luces incandescentes, según los requisitos y condiciones específicos del túnel. El diseño del sistema de iluminación también debe considerar la eficiencia energética y el impacto ambiental.

Métodos de excavación y construcción de túneles.

Los métodos de excavación y construcción de túneles varían según las condiciones geológicas, la longitud y el diámetro del túnel y otros factores. Estos son algunos de los métodos más comunes de excavación y construcción de túneles:

1. Método de perforación y voladura: este método consiste en perforar pozos en la cara de la roca y luego explotar la roca con explosivos. Los escombros resultantes se eliminan mediante equipos de carga y acarreo.
2. Método de tuneladora (TBM): Este método utiliza una máquina que excava el túnel mientras instala simultáneamente el revestimiento del túnel. Las tuneladoras se pueden utilizar tanto para túneles de roca dura como de suelo blando.
3. Nuevo método de túnel austriaco (NATM): Este método consiste en excavar el túnel en secciones pequeñas y luego apoyar la sección excavada con un revestimiento temporal, como hormigón proyectado o pernos de roca, antes de pasar a la siguiente sección.
4. Método de cortar y cubrir: Este método se usa para túneles poco profundos e implica excavar una zanja, construir el túnel y luego rellenar la zanja.
5. Método de excavación secuencial (SEM): Este método consiste en excavar el túnel en pequeñas secciones, utilizando medidas de apoyo y refuerzo del suelo para controlar la deformación y estabilizar el túnel.
6. Túnel de escudo: este método utiliza un escudo o un equipo especializado similar para excavar y sostener el túnel al mismo tiempo.

La elección del método de excavación depende de varios factores, como la longitud del túnel, el diámetro, la geología, las condiciones del agua subterránea, los recursos disponibles y las consideraciones ambientales.

Método de perforación y voladura

El método de perforación y voladura es una técnica tradicional que se utiliza para la excavación de túneles y consiste en perforar agujeros en la roca o el suelo, llenar los agujeros con explosivos y luego detonarlos para fragmentar la roca o el suelo. Luego, la roca o el suelo fragmentados se eliminan con maquinaria o mano de obra.

En el método de perforación y voladura, se perfora una serie de orificios en la superficie de la roca o del suelo utilizando equipo especializado, como perforadoras de roca o máquinas perforadoras de túneles. Los orificios suelen estar espaciados a intervalos regulares y dispuestos en un patrón diseñado para lograr el perfil de excavación deseado. Una vez que se perforan los agujeros, se cargan con explosivos, que luego se detonan con un gatillo remoto.

Después de la explosión, la roca o el suelo fragmentado se retira con excavadoras o cargadoras, y el túnel se estabiliza con un sistema de soporte. El sistema de soporte puede incluir pernos de roca, arcos de acero o revestimientos de concreto, según la naturaleza de la roca o el suelo y los requisitos del proyecto.

El método de perforación y voladura puede ser muy efectivo para excavar túneles en roca dura, pero también puede consumir mucho tiempo y ser costoso, especialmente en áreas densamente pobladas donde el ruido y la vibración de las voladuras pueden ser una preocupación.

Método de tuneladora (TBM)

El método Tunnel Boring Machine (TBM) es una técnica popular utilizada para excavar túneles en una variedad de condiciones geológicas. Una tuneladora es una máquina cilíndrica grande que puede excavar a través de varios tipos de suelo y roca mediante el uso de un cabezal de corte giratorio con cortadores de disco, que pueden excavar el frente del túnel mientras instalan simultáneamente el revestimiento del túnel.

El método TBM generalmente se prefiere para túneles que son largos y rectos, ya que requiere menos mano de obra y puede funcionar a un ritmo mucho más rápido que otros métodos de construcción de túneles. El método TBM también se prefiere en áreas urbanas donde existe la necesidad de minimizar el impacto en la comunidad circundante, ya que produce menos ruido, vibración y polvo que otros métodos.

El método TBM normalmente implica los siguientes pasos:

1. Excavación del pozo de lanzamiento: Se excava un gran foso en el punto inicial del túnel donde se montará la tuneladora.
2. Montaje y botadura de tuneladora: La tuneladora se ensambla en la parte inferior del pozo de lanzamiento y luego se lanza a la alineación del túnel.
3. excavación tuneladora: La tuneladora excava el suelo o la roca frente a ella mientras instala simultáneamente segmentos de hormigón prefabricado u otros materiales de revestimiento del túnel.
4. Eliminación de lodo: El material excavado, o “muck”, se transporta fuera del túnel mediante una cinta transportadora o una tubería de lodos.
5. Instalación de revestimiento de túneles: Una vez que la tuneladora ha excavado una cierta longitud del túnel, los segmentos de hormigón prefabricado u otros materiales de revestimiento del túnel se instalan detrás de la tuneladora.
6. recuperación tuneladora: Cuando la tuneladora llega al final del túnel, se desmonta y se recupera del túnel utilizando el mismo pozo de lanzamiento.

Método de cortar y cubrir

El método de corte y cubierta es una técnica utilizada para la construcción de túneles poco profundos o estructuras subterráneas. En este método, se excava una zanja en el suelo y se construye la estructura en su interior. A continuación, la zanja se vuelve a cubrir con el material excavado o con una losa de hormigón prefabricado.

Este método es adecuado para la construcción de túneles en áreas urbanas o áreas donde el tráfico de superficie es una preocupación. También es una técnica eficaz para la construcción de estaciones de tren subterráneas, pasarelas peatonales y túneles de drenaje de aguas pluviales. Sin embargo, el método tiene algunas limitaciones, como el alto costo de construcción, la interrupción del tráfico en la superficie durante la excavación y las limitaciones en la profundidad de la excavación.

Nuevo método de túnel austriaco (NATM)

El Nuevo Método de Construcción de Túneles de Austria (NATM) es un método de construcción de túneles que se desarrolló en la década de 1960 en Austria. También se conoce como el método de excavación secuencial (SEM). NATM consiste en excavar el túnel en secciones pequeñas o "derivaciones", por lo general alrededor de 3-4 metros de longitud, y luego reforzar inmediatamente la sección excavada con una capa de hormigón proyectado y pernos de roca o nervaduras de acero. La roca o el suelo circundante brinda apoyo adicional. Este método permite flexibilidad para adaptarse a las condiciones geológicas encontradas durante la excavación y es particularmente adecuado para suelos blandos o inestables. NATM también tiene la ventaja de ser relativamente rápido y económico, ya que no requiere el uso extensivo de maquinaria pesada. Sin embargo, requiere un alto nivel de habilidad y experiencia del equipo de construcción para que sea efectivo.

Sistemas de soporte de túneles

Los sistemas de soporte de túneles se utilizan para estabilizar el suelo y evitar el colapso durante la excavación del túnel. La elección del sistema de soporte depende de una variedad de factores, incluida la geología del suelo, el tipo de túnel que se está construyendo y el método de excavación que se está utilizando. Algunos tipos comunes de sistemas de soporte de túneles incluyen:

1. Pernos de roca: son varillas largas de acero que se insertan en los pozos y se cementan en su lugar. Proporcionan refuerzo y estabilización del macizo rocoso al transferir las cargas entre los bloques de roca.
2. Shotcrete: esta es una mezcla de concreto rociado que se aplica a la superficie de roca expuesta para formar una capa delgada, que actúa como un soporte temporal hasta que se construye el revestimiento final.
3. Arcos de acero: son arcos de acero prefabricados o fabricados a medida que se utilizan para soportar el techo y las paredes del túnel.
4. Hormigón armado: Este es un material de revestimiento común para túneles. El hormigón armado se vierte en el lugar o se prefabrica fuera del sitio y luego se instala en el túnel.
5. Costillas de acero y revestimiento: este es un método de soporte de túnel en el que se instalan costillas de acero y luego se coloca un revestimiento de madera entre ellas. El revestimiento ayuda a mantener el suelo en su lugar hasta que se construye el revestimiento final.
6. Congelación del suelo: Este es un método de soporte utilizado en condiciones de suelo blando donde el suelo se congela usando nitrógeno líquido u otros refrigerantes. Esto crea una pared de hielo alrededor del túnel, que brinda soporte temporal hasta que se instala el revestimiento final.

La elección del sistema de soporte depende de las condiciones geológicas, el método de excavación y el diseño del túnel. El sistema de soporte debe proporcionar un soporte temporal durante la excavación y la construcción, y también un soporte a largo plazo para mantener la estabilidad del túnel a lo largo de su vida.

Perno de roca y hormigón proyectado

El bulonado y la proyección de hormigón son dos técnicas comunes que se utilizan para el soporte de túneles en la construcción subterránea.

El empernado de rocas implica perforar orificios en la cara de la roca e insertar pernos de acero en los orificios, que luego se colocan con lechada en su lugar. Los pernos ayudan a sostener la roca y evitan que se derrumbe.

El hormigón proyectado, por otro lado, consiste en rociar una capa de hormigón sobre la cara de la roca con una manguera de alta presión. El hormigón proporciona soporte adicional y ayuda a prevenir caídas de rocas.

Ambas técnicas se pueden utilizar junto con otros sistemas de soporte, como nervaduras de acero o mallas, para proporcionar un refuerzo adicional a las paredes y el techo del túnel. El sistema de soporte específico utilizado dependerá de la geología del túnel y los requisitos de diseño.

Arcos y costillas de acero

Los arcos y nervaduras de acero se utilizan comúnmente en la construcción de túneles para brindar soporte adicional al revestimiento del túnel. Por lo general, están hechos de acero o una combinación de acero y concreto y se instalan a lo largo de las paredes del túnel para brindar resistencia y estabilidad adicionales a la masa rocosa.

Los arcos de acero se usan generalmente para túneles poco profundos con una luz de menos de 10 metros, mientras que las nervaduras de acero se usan para túneles más grandes con una luz de más de 10 metros. Los arcos o nervaduras de acero generalmente se instalan en un patrón predeterminado y se mantienen en su lugar mediante pernos de roca, que son varillas largas de acero que se anclan en la roca que rodea el túnel.

El uso de arcos y nervaduras de acero es particularmente útil en formaciones rocosas inestables, donde la masa rocosa tiene tendencia a deformarse o colapsar. Los arcos o nervaduras pueden ayudar a redistribuir la carga y brindar soporte adicional al revestimiento del túnel, lo que ayuda a garantizar la estabilidad y seguridad del túnel.

Revestimientos de hormigón armado

Los revestimientos de hormigón armado se utilizan comúnmente para la construcción de túneles, ya que proporcionan un soporte estructural resistente y duradero. Los revestimientos de hormigón armado se utilizan normalmente en túneles de gran diámetro y requisitos de mayor estabilidad. El revestimiento brinda resistencia a las cargas externas, soporta la carga del suelo suprayacente y protege el túnel de la entrada de agua y la corrosión.

El proceso de construcción de un revestimiento de hormigón armado implica los siguientes pasos:

1. Montaje del encofrado: El encofrado, que es una estructura temporal, se monta con la forma y el tamaño de la sección transversal del túnel.
2. Colocación de acero de refuerzo: El acero de refuerzo se coloca dentro del encofrado de acuerdo con los requisitos de diseño.
3. Vertido de hormigón: Una vez que el acero de refuerzo está en su lugar, se vierte el hormigón en el encofrado. El diseño de la mezcla de concreto generalmente está diseñado para lograr una alta resistencia y durabilidad.
4. Curado: después de que se vierte el concreto, debe curarse durante un período de tiempo específico para lograr su resistencia de diseño. El curado se puede realizar mediante curado húmedo o aplicando compuestos de curado a la superficie del concreto.
5. Decapado del encofrado: Una vez que el hormigón ha alcanzado la resistencia suficiente, se retira el encofrado, dejando al descubierto el revestimiento de hormigón endurecido.

Los revestimientos de hormigón armado se pueden diseñar en varias formas y tamaños según la alineación del túnel y las condiciones geológicas. En algunos casos, se utilizan dovelas de hormigón prefabricado, que se fabrican fuera del sitio y se ensamblan dentro del túnel con equipos especializados.

Desafíos y soluciones para la construcción de túneles

La construcción de túneles puede presentar muchos desafíos que deben abordarse para garantizar la finalización exitosa del proyecto. Algunos de los desafíos comunes en la construcción de túneles incluyen:

1. Condiciones geotécnicas: Las condiciones geológicas del sitio pueden afectar en gran medida el proceso de construcción, lo que dificulta la excavación del túnel. Por ejemplo, los túneles construidos a través de formaciones rocosas duras son más fáciles de excavar que los construidos a través de suelo blando.
2. Agua subterránea: El agua subterránea puede representar un desafío durante la construcción del túnel, ya que puede debilitar los sistemas de soporte del túnel y causar inestabilidad. Se deben instalar sistemas adecuados de drenaje y desagüe para evitar inundaciones y daños al túnel.
3. Ventilación: La ventilación es fundamental en la construcción de túneles para proporcionar aire fresco y eliminar el polvo, los humos y los gases que pueden acumularse en el túnel. La ventilación adecuada es necesaria para la seguridad de los trabajadores y el funcionamiento eficiente del equipo.
4. Espacio limitado: el espacio limitado en el túnel puede dificultar la maniobra de equipos y materiales pesados, lo que puede ralentizar el proceso de construcción. Las soluciones innovadoras, como los equipos controlados a distancia y los sistemas robóticos, pueden ayudar a mitigar este desafío.
5. Seguridad: La construcción de túneles puede ser peligrosa debido a los riesgos de colapso, caída de rocas, inundaciones, incendios y explosiones. Se deben implementar medidas de seguridad estrictas para proteger a los trabajadores y al público.

Para hacer frente a estos desafíos, los proyectos de construcción de túneles requieren una planificación y ejecución cuidadosas. Las tecnologías modernas, como el diseño asistido por computadora, los modelos de simulación y el monitoreo en tiempo real, pueden ayudar en la planificación y ejecución de proyectos de construcción de túneles. Además, los profesionales experimentados en la construcción de túneles que entienden la geología y la ingeniería de los túneles pueden ayudar a identificar los desafíos potenciales y desarrollar soluciones efectivas.

Entradas de agua y desagüe

Durante la construcción del túnel, uno de los principales desafíos es lidiar con las entradas de agua. El agua puede filtrarse en el túnel desde las formaciones rocosas circundantes o desde el agua subterránea. Esto puede Lead a problemas como inundaciones, inestabilidad de la excavación y erosión del revestimiento del túnel.

Para gestionar las entradas de agua, a menudo se instala un sistema de drenaje. Esto implica la instalación de bombas y sistemas de drenaje para eliminar el agua del túnel a medida que se excava. El sistema de drenaje se puede diseñar para gestionar las entradas de aguas subterráneas y superficiales.

En algunos casos, la lechada también se puede usar para reducir las entradas de agua al llenar los vacíos y las fracturas en la masa rocosa circundante. Además, se puede instalar una membrana o revestimiento impermeable para evitar que el agua ingrese al túnel en primer lugar.

Otros desafíos durante la construcción del túnel pueden incluir lidiar con condiciones geológicas difíciles, como culpa zonas o roca altamente fracturada. Estos desafíos se pueden abordar mediante una investigación cuidadosa del sitio, métodos de excavación apropiados y sistemas de apoyo efectivos.

Es importante tener en cuenta que cada proyecto de construcción de túneles es único y puede presentar su propio conjunto de desafíos, que requieren soluciones personalizadas para superarlos.

Riesgos geológicos y geotécnicos

Los peligros geológicos y geotécnicos son desafíos comunes que se encuentran durante la construcción de túneles. Estos peligros pueden incluir desprendimientos de rocas, aplastamiento del suelo, zonas de fallas, altas entradas de agua, emisiones de gases y otras condiciones geológicas y geotécnicas adversas.

Los estallidos de rocas ocurren cuando las tensiones en el macizo rocoso exceden la resistencia de la roca, causando una falla repentina y violenta. El suelo comprimido ocurre cuando la masa rocosa se deforma bajo altas presiones de confinamiento, lo que lleva a la convergencia de las paredes del túnel. Las zonas de falla pueden ser problemáticas porque pueden contener materiales sueltos y débiles, que pueden requerir medidas de soporte adicionales.

Las altas entradas de agua también pueden plantear desafíos durante la construcción del túnel. Los métodos de deshidratación pueden ser necesarios para controlar la entrada de agua en el túnel. Las emisiones de gases, como el metano, también pueden ser peligrosas y requieren un control cuidadoso.

Las soluciones a estos desafíos incluyen una cuidadosa investigación y planificación del sitio para identificar peligros potenciales, el uso de sistemas de soporte de túneles apropiados y la implementación de sistemas efectivos de drenaje y ventilación. Además, el uso de tecnologías avanzadas como el modelado 3D y las simulaciones por computadora pueden ayudar a identificar peligros potenciales y optimizar el diseño del sistema de soporte del túnel. El monitoreo regular durante la construcción también puede ayudar a detectar y abordar peligros potenciales antes de que se conviertan en un problema grave.

Impactos ambientales y medidas de mitigación

La construcción de túneles puede tener una variedad de impactos ambientales, que incluyen:

1. Destrucción y fragmentación del hábitat: La construcción de túneles puede causar la fragmentación y pérdida del hábitat de una variedad de flora y fauna.
2. Erosión y sedimentación del suelo: Las actividades de excavación y construcción pueden conducir a la erosión y sedimentación del suelo, lo que puede dañar los ecosistemas acuáticos.
3. Contaminación del agua: la construcción de túneles puede provocar la liberación de contaminantes en las fuentes de agua cercanas, lo que puede dañar los organismos acuáticos.
4. Contaminación del aire: la construcción de túneles puede liberar polvo, gases de escape y otros contaminantes al aire, lo que puede dañar la salud humana y el medio ambiente.
5. Contaminación acústica: la construcción de túneles puede generar altos niveles de ruido, lo que puede molestar a los residentes cercanos y la vida silvestre.

Para mitigar estos impactos, se pueden tomar una serie de medidas, que incluyen:

1. Restauración del hábitat: se pueden hacer esfuerzos para restaurar el hábitat en áreas que han sido afectadas por la construcción de túneles.
2. Control de la erosión y los sedimentos: se pueden utilizar medidas como cercas de cieno y estanques de sedimentos para prevenir la erosión y la sedimentación del suelo.
3. Tratamiento de agua: el agua se puede tratar antes de descargarla para eliminar los contaminantes.
4. Control de la contaminación del aire: se pueden emplear medidas como la supresión del polvo y el uso de vehículos y equipos de bajas emisiones para reducir la contaminación del aire.
5. Barreras de ruido y aislamiento: las barreras y el aislamiento se pueden usar para reducir la cantidad de ruido que llega a los residentes cercanos y la vida silvestre.
6. Monitoreo y cumplimiento: se puede llevar a cabo un monitoreo regular para garantizar que se cumplan los estándares ambientales, y cualquier problema que surja se puede abordar con prontitud.

Mantenimiento y rehabilitación de túneles

El mantenimiento y la rehabilitación de túneles son aspectos importantes de la gestión de túneles para garantizar su operación segura y eficiente durante su vida útil de diseño. Algunas de las actividades clave involucradas en el mantenimiento y rehabilitación de túneles son:

1. Inspección y monitoreo de rutina: La inspección y el monitoreo regulares de las estructuras, los revestimientos y los sistemas de soporte del túnel son necesarios para detectar cualquier signo de deterioro o daño.
2. Limpieza y eliminación de escombros: La limpieza regular del túnel y la eliminación de escombros, sedimentos y otras obstrucciones de los sistemas de drenaje, túneles de acceso y sistemas de ventilación es importante para garantizar un funcionamiento seguro y sin problemas.
3. Reparaciones y mantenimiento: las actividades de reparación y mantenimiento, como la lechada, el relleno de grietas y el reemplazo de componentes dañados o corroídos, son esenciales para mantener la integridad de la estructura del túnel.
4. Actualizaciones y modernización: Es posible que se requieran actualizaciones y modernización de los sistemas de túneles, como los sistemas de iluminación, ventilación y comunicación, para mejorar la seguridad y la eficiencia.
5. Rehabilitación y fortalecimiento: La rehabilitación y el fortalecimiento de las estructuras del túnel pueden ser necesarias debido al deterioro o cambios en el uso del túnel.
6. Gestión de riesgos y preparación para emergencias: Los planes de gestión de riesgos y preparación para emergencias son importantes para garantizar la seguridad de los usuarios del túnel y minimizar el impacto de cualquier incidente o accidente.

En general, las actividades de mantenimiento y rehabilitación de túneles requieren una planificación y ejecución cuidadosas para garantizar su eficacia y minimizar las interrupciones para los usuarios del túnel.

Vigilancia y mantenimiento de túneles

La supervisión y el mantenimiento de los túneles son fundamentales para garantizar la seguridad y la longevidad de la estructura del túnel. El monitoreo regular puede ayudar a identificar signos de deterioro o daño, que pueden abordarse antes de que se conviertan en problemas mayores. Algunos métodos comunes de monitoreo de túneles incluyen inspecciones visuales, instrumentación y pruebas no destructivas.

Las inspecciones visuales implican inspeccionar físicamente el túnel en busca de signos de desgaste, como grietas, fugas y daños en el revestimiento o los sistemas de soporte. La instrumentación implica la instalación de sensores para medir varios parámetros, como la temperatura, la humedad, la presión del agua y el movimiento del suelo. Las técnicas de prueba no destructivas, como el radar de penetración en el suelo, las pruebas ultrasónicas y la inspección de partículas magnéticas, también se pueden utilizar para evaluar la integridad de la estructura del túnel.

Las actividades de mantenimiento pueden incluir la limpieza del túnel, la reparación de daños o fugas y el reemplazo de componentes desgastados o dañados, como iluminación, sistemas de ventilación y sistemas de apoyo. La rehabilitación puede ser necesaria para abordar daños o deterioros más significativos y puede involucrar técnicas como lechada, proyección de hormigón o la aplicación de un nuevo revestimiento.

En general, el monitoreo y el mantenimiento regulares son fundamentales para garantizar la seguridad y la funcionalidad a largo plazo de los túneles, y pueden ayudar a prevenir reparaciones costosas o incluso fallas catastróficas.

Casos prácticos de proyectos de construcción de túneles

Hay muchos ejemplos de importantes proyectos de construcción de túneles en todo el mundo. Aquí hay algunos notables:

1. Túnel del Canal: También conocido como el "Chunnel", este túnel conecta el Reino Unido y Francia por debajo del Canal de la Mancha. Tiene 31.4 millas de largo, lo que lo convierte en el túnel submarino más largo del mundo. El túnel consta de dos túneles ferroviarios paralelos y un túnel de servicio.
2. Túnel de base de San Gotardo: este túnel, ubicado en Suiza, es actualmente el túnel ferroviario más largo del mundo, con una longitud de 35.5 millas. Es una parte clave del Nuevo Enlace Ferroviario a través de los Alpes, que conecta Zúrich y Milán.
3. Túnel de reemplazo del viaducto de Alaskan Way: este túnel, ubicado en Seattle, Washington, reemplazó una autopista elevada envejecida que era vulnerable a los terremotos. El túnel tiene dos millas de largo y lleva la ruta estatal 99 debajo del centro de Seattle.
4. Crossrail: Esta es una importante nueva línea ferroviaria actualmente en construcción en Londres, Inglaterra. Incluye un túnel de doble orificio de 13 millas que pasará por debajo de la ciudad y conectará 40 estaciones.
5. Puente Hong Kong-Zhuhai-Macao: este proyecto de puente-túnel conecta las ciudades de Hong Kong, Zhuhai y Macao en China. Incluye una sección de túnel de 4.2 millas que corre debajo del Mar de China Meridional.

Todos estos proyectos presentaron desafíos únicos en términos de geología, condiciones del sitio y métodos de construcción. Son buenos ejemplos de la importancia de la planificación cuidadosa, la investigación del sitio y el diseño en la construcción exitosa de túneles.

Lecciones aprendidas de proyectos fallidos de construcción de túneles

Las lecciones aprendidas de los proyectos fallidos de construcción de túneles pueden ayudar a los ingenieros y profesionales de la construcción a evitar errores similares en el futuro. Algunas razones comunes de las fallas en la construcción de túneles incluyen una investigación deficiente del sitio, diseño y planificación inadecuados, sistemas de soporte insuficientes y condiciones geológicas o geotécnicas imprevistas.

Por ejemplo, el colapso del túnel que se estaba construyendo para el proyecto de autopista Big Dig en Boston, Massachusetts, en 2006 se debió a una combinación de factores, incluida una investigación inadecuada del sitio, un diseño defectuoso y prácticas de construcción deficientes. Como resultado, el equipo de construcción tuvo que realizar un extenso trabajo de remediación para abordar los problemas, lo que provocó retrasos significativos y sobrecostos.

De manera similar, la construcción del proyecto Crossrail en Londres se retrasó y enfrentó sobrecostos debido a condiciones geológicas y geotécnicas inesperadas. El proyecto se encontró con condiciones de suelo desafiantes, incluidas capas de arena, grava y arcilla, que requirieron medidas adicionales de apoyo y refuerzo.

Las lecciones aprendidas de tales incidentes pueden incluir la necesidad de una investigación y pruebas rigurosas del sitio, una mejor comunicación entre los diseñadores y los equipos de construcción, la implementación de protocolos de seguridad más sólidos y el uso de tecnologías y equipos avanzados para monitorear y administrar las actividades de construcción.

Referencias

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