Túneles

Diapositivas preparadas para la clase de Geología Aplicada en el Posgrado de Geotecnia de la UAQ.

1. Túneles Ing. Rafael Ortiz Hernández Geología Aplicada a la Ingeniería Civil División de Investigación y Posgrado Facultad de Ingeniería Universidad Autónoma de Querétaro

2. ¿Qué es un túnel? Vía subterránea abierta artificialmente para el paso de personas y vehículos. Instalación cubierta y alargada que comunica dos puntos y sirve para distintos fines: Transporte de vehículos (coches, ferrocarriles, etc.) Comunicaciones (fibra óptica, telefonía, etc.) Sustancias (acueductos, oleoductos, gasoductos, etc.) – Diccionario de la Lengua Española, Real Academia Española

3. ¿Cómo se hace un túnel? ¡Con mucho cuidado!

4. ¡Como hacer un túnel en 18 pasos! El manual de la SCT señala 18 pasos importantes para la construcción de un túnel carretero: Diseño del trazo y de la sección tipo Estudios geológicos y exploración Integración geotécnica y diseño preliminar Proyecto de los tajos de acceso Análisis de excavaciones Métodos de excavación Sistemas de sostenimiento Análisis y diseño estructural de los Sistemas de Sostenimiento Túneles falsos y Boquillas Revestimiento definitivo y Acabados Drenaje e Impermeabilización Seguimiento Técnico y Auscultación Control de Calidad Iluminación Ventilación Sistemas de Seguridad y Control Seguridad e Higiene en la Obra Operación y Mantenimiento

5. ¡Como hacer un túnel en 3 pasos! Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo resume más “sencillo”: Diseño Construcción Instrumentación

6. ¡Como hacer un túnel en 10 pasos! Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo resume más “sencillo”: Diseño Estudios previos Procedimientos de análisis Construcción Máquinas de tuneleo Etapas Instrumentación Túnel Terreno vecino Estructuras vecinas

7. ¡Como hacer un túnel en 26 pasos! Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo resume más “sencillo”: Diseño Estudios previos Geométricos Topográficos Geológicos Geotécnicos Procedimientos de análisis Empíricos Analíticos Computacionales Construcción Máquinas de tuneleo Rocas Suelos Etapas Trazar Habilitar accesos Excavar Rezagar Estabilizar el frente Soportar las paredes Revestir Instrumentación Túnel Terreno vecino Estructuras vecinas

8. Trazar Ubicar topográficamente en campo la trayectoria del túnel y sus conexiones. Trazo del túnel en planta

9. Planta general y Alineamiento horizontal Perfil longitudinal con alineamiento vertical Túnel de Carretera Atizapán-Atlacomulco

10. Habilitar accesos El emportalamiento de una ladera (en terrenos a desnivel) o la construcción de lumbreras/pozos verticales en terrenos planos. Tajo de acceso con boquillas prolongadas, sin y con relleno

11. Emportalamiento de Túnel del Toyo, Colombia

12. Lumbrera de Túnel Emisor Oriente, México

13. Lumbrera de Túnel Seattle, EEUU

14. Excavar Es la separación del material que ocupa el espacio el túnel por medios mecánicos.

15. Formas de excavar Barrenación y voladura Fresadoras Tuneladoras (discos, picas o dientes) Herramientas manuales Martillos neumáticos

16. Barrenación y voladura

17. Fresadoras

18. Tuneladora de discos

19. Tuneladora de picas

20. Tuneladora de dientes

21. Herramientas manuales

22. Martillos neumáticos

23. Rezagar Es la remoción y extracción del material excavado fuera del área del trabajo.

24. Formas de rezagar Vagonetas Bandas Bombeo (centrífugas y de pistón)

25. Rezago por vagonetas

26. Rezago por bandas

27. Rezago por centrifugas

28. Estabilizar el frente El frente de excavación debe estabilizarse para que no colapse por la inestabilidad del cambio de esfuerzos.

29. Formas de estabilizar el frente Rejillas Gatos frontales Aire comprimido Lodo Suelo en proceso de excavación

30. Rejillas

31. Gatos frontales

32. Aire comprimido (tuneleo hiperbárico)

33. Lodos

34. Suelo en proceso de excavación

35. Soportar las paredes Una vez excavado el túnel, si las paredes presentan inestabilidad, se refuerzan con sistemas de contención.

36. Formas de soportar las paredes Concreto lanzado Concreto lanzado y anclas Marcos metálicos y retaque de madera Marcos metálicos y concreto lanzado Marcos metálicos y polines de madera Dovelas

37. Concreto lanzado

38. Concreto lanzado y anclas

39. Marcos metálicos y retaque de madera

40. Marcos metálicos y concreto lanzado

41. Marcos metálicos y polines de madera

42. Dovelas

43. Revestir Se reviste el túnel para proteger los soportes de las paredes del ambiente del túnel.

44. Recubrimiento de Túnel Emisor Oriente, México

45. ¿Cuál es la relación de la Geología con un túnel? Están íntimamente relacionados

46. Geología y los túneles Los túneles son el tipo de obras de ingeniería que mayor conocimiento geológico del terreno demandan , tanto para ser proyectados como construidos, de forma segura y, en la medida de lo posible , económica. A mayor grado de complejidad geológica del sitio donde será alojado el túnel , mayor será la incertidumbre para el pronóstico de los problemas geológicos esperados y, por lo tanto , la cantidad de estudios de campo y el grado de detalle deberá ser también mayor.

47. Geología y los túneles Las condiciones geológicas son diversas, como las que se asocian: Los diferentes tipos de litología (rocas y/o suelos) Condiciones de las discontinuidades Zonas mayores de debilidad como fallas Grado de alteración de los materiales, etc. Situación en la que los esfuerzos tectónicos afectan la estructura del macizo.

48. Modelo Geológico, túnel El Sinaloense L = 2.794 km, Carretera Durango-Mazatlán

49. Modelo Geológico, túnel El Sinaloense L = 2.794 km, Carretera Durango-Mazatlán

50. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

51. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

52. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

53. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

54. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

55. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

56. Algunos de los factores más importantes que influyen en el comportamiento de una obra subterránea durante su construcción, mismos que al final representarán los condicionantes básicos para una correcta modelización : F orma del terreno en superficie y la profundidad del túnel Dimensiones del túnel y geometría de las distintas secciones de avance de la excavación Condiciones de flujo de agua subterránea Estados de esfuerzos iniciales ( σ 1 , σ 2 , σ 3 ) Disposición de las distintas unidades geológicas o geotécnicas Presencia y tipo de elementos estructurales del sostenimiento

57. ¿Cuál es la relación de la Geotecnia con un túnel? Están íntimamente relacionados

58. La Geotecnia y los Túneles La integración geotécnica para una obra subterránea debe tener en cuenta los resultados obtenidos de los levantamientos topográficos, los estudios geológicos , geofísicos, los sondeos de exploración , las caracterizaciones geotécnicas de campo y los resultados de ensayos realizados tanto in situ como en laboratorio. Toda esta información, adecuadamente procesada (integrada ), deberá contribuir a un prediseño óptimo de la excavación y de los sistemas de soporte , estabilización y reforzamiento del terreno que alojará al túnel.

59. El modelo geológico presentado El modelo geotécnico generado a partir de la información geológica

60. Recomendaciones de sostenimiento para tuneles según Bieniawski (1989)

61. Un caso de éxito Túnel “El Sinaloense” – Autopista Durango-Mazatlán

62. Datos generales Se ubica en el tramo III de la autopista Durango-Mazatlán en los kilómetros 168+400 y termina en el km 186+300. Longitud de 2,794 m, el segundo túnel carretero más largo de México (al 2013). Se trabajo de 2009 al 2011. Ubicado en la subprovincia de mesetas y cañadas del sur de la Sierra Madre Occidental.

63. Corredor Matamoros-Mazatlán Autopista Durango-Mazatlán Durango Mazatlán

64. Ubicación del Tramo III de la Autopista Durango-Mazatlán Plano geológico de túnel el Sinaloense

65. Sección longitudinal geológica de túnel “El Sinaloense” Sección longitudinal geofísica (geoeléctrica) de túnel “El Sinaloense”

66. Sección longitudinal geológica de túnel “El Sinaloense” Sección longitudinal geotécnica de túnel “El Sinaloense”

67. Sección longitudinal geotécnica de túnel “El Sinaloense” Descripciones de Unidades Geotécnicas del Túnel Detalle de las descripciones

68. Procedimiento constructivo de acuerdo a condición geotécnica

69. Método fotográfico para determinar RQD en la pared excavada. Caído de origen estructural, causado por pseudoestrafiticación y diaclasas en el Túnel.

70. Estado de discontinuidades Salida de agua en clave del túnel

71. Ejemplo de Condición A. Túnel “El Sinaloense” portal Durango, roca de calidad Muy buena, Clase I.

72. Ejemplo de condición B. Túnel "El Sinaloense" portal Mazatlán, roca de calidad buena , clase II.

73. Ejemplo de tratamiento en condición C(+). Anclas radiales colocadas en patrón 2.0x2.0.

74. Ejemplo condición C(-). Túnel “El Sinaloense”, excavación de media sección en 2 etapas, se observa el avance en hastiales y el piloto central.

75. Ejemplo de condición D(+). Túnel “El Sinaloense” portal Mazatlán, roca de calidad mala-regular , clase IV

76. Ejemplo de condición D(-). Túnel “El Sinaloense” portal Mazatlán.

77. Ejemplo de condición E. Túnel “El Sinaloense” portal Durango. Avance en dos fases hastiales y piloto central.

78. Sección longitudinal geológico de túnel “El Sinaloense” Sección longitudinal geológico real de túnel “El Sinaloense” Solo se encontraron toba lítica y andesita

79. Sección longitudinal geológico real de túnel “El Sinaloense” Solo se encontraron toba lítica y andesita Sección longitudinal geotécnica real de túnel “El Sinaloense” Solo se encontraron toba lítica y andesita

80. Un caso de fracaso El colapso del túnel Xicontepec I – Autopista México-Tuxpan

81. Túnel Xicotepec I,

82. Datos generales Se ubica en la autopista México-Tuxpan en el kilómetro 154+200. La falla se provoco durante la excavación de la media sección superior del túnel izquierdo entre marzo y mayo de 2012. Durante la excavación se atravesó un estrato de arcillas blandas entre la caliza de basamento y columnas basálticas superiores. La excavación, junto con un intenso periodos de lluvias provoco el colapso en el interior del túnel con una movilización de masa hasta la superficie con una falla de ladera.

83. Interpretación geológica anterior al colapso Esquema del colapso

84. Vista de la zona del colapso sobre la ladera. Frente del túnel antes del colapso en el que se aprecia el contacto entre los basaltos columnares y el estrato arcilloso

85. Detalle la zona de clave de la galería izquierda en el que pueden verse restos del túnel original (cerchas metálicas y micropilotes ).

86. Malla con cortes que muestran los estratos y la posición de los túneles Contornos de igual magnitud de deformación incremental de corte sobre una sección en la estación 654+590

87. Procedimiento constructivo propuesto para el rescate del tramo colapsado del túnel izquierdo Procedimiento de excavación y sostenimiento en el modelo de diferencias finitas Vista de las galerías laterales al inicio de su construcción

88. Vista aérea de la plataforma posterior a la finalización de los trabajos de inyección.

89. Vista de la plataforma de inyecciones encima del túnel.

90. Bibliografía Dirección General de Servicios Técnicos (2016) Manual de Diseño y Construcción de Túneles de Carretera. Secretaria de Comunicaciones y Transportes. Schmitter M. d. C., J. J. (2016) Túneles en Suelos Blandos (Experiencias en la Ciudad de México). Grupo Visión Prospectiva México 2030. CICM . Schmitter M. d. C., J. J. ( 2021) Aspectos Generales Sobre Túneles. Ciclo de Conferencias Ingeniería Geotécnica. Torres L., M. (2013) Excavación y Sostenimeinto Primario en Interior del Túnel “El Sinaloense”. Tesis de Licenciatura. FI UNAM División de Ciencias de la Tierra . Sánchez R., F. (2016) El colapso del túnel Xicotepec I Una investigación sobre sus causas y un estudio para su reconstrucción. Revista de Obras Públicas Año 2016, Número 3579.