FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS

TEMA: TÚNELES

PERTENECE A:

CARLOS ALFONSO MEJÍA VÉLIZ

SEMESTRE:

NOVENO “C” CIVIL

CATEDRATICA:

ING. MARÍA ALCÍVAR

TÚNELES

Los túneles son utilizados en valles estrechos con ríos caudalosos, ya que resulta complicado desviar el río de su cauce dentro del mismo valle durante la construcción de la presa. La solución es construir un túnel a través de uno de los estribos y, una vez terminada la presa, éste pasa a cumplir funciones de toma permanente mediante la instalación de compuertas y equipos necesarios. Este sistema se usa generalmente en presas altas de tierra y roca, ya que resulta más económico que la construcción de un terraplén.

La principal diferencia entre un túnel y un conducto enterrado radica en las cargas que actúan sobre cada uno. En un conducto enterrado, a mayor altura de la presa, mayor será la carga que actúa sobre la estructura, mientras que en un túnel, la altura del material colocado encima de la estructura influye muy poco.

 

TÚNELES Y POZOS HIDRÁULICOS

GENERALIDADES

En los valles estrechos con ríos caudalosos es difícil desviar el cauce del mismo, pero a su vez este cauce puede transformarse en una obra de toma. También en presas altas de tierra y roca resulta muchas veces es más económico construir un túnel que un conducto, todo debido a las

cargas que actuarían en dicho conducto, ya que deberían tener un gran espesor y un gran diámetro.

Aun así existe una diferencia fundamental entre túnel y conducto, todo esta diferenciación de caracteres se resumen en uno sencillo y simple, las cargas que debe soportar cada uno son muy distintas, en el caso del túnel se utilizará donde las alturas y los pesos sean muy grandes y los conductos con pesos de un menor valor.

SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO

Depende fundamentalmente a 3 factores:

-          Geología

-          Topografía

-          Arquitectura hidráulica

La geología se convierte en un factor determinante, se debe ubicar el túnel en una roca de alta calidad, no importa que se tenga que profundizar un poco más, ya que los costos de excavación se verán recompensados por el dinero y esfuerzo que se ahorrará en revestimiento.

Otro aspecto importante será la ubicación de la entrada y de salida del túnel ya que deben quedar en una zona de alta confiabilidad, si el túnel trabajara  como canal se pueden dejar a la entrada que las filtraciones hagan parte del caudal que este llevará; por el contrario si trabajara a presión, se debe evitar al máximo cualquier tipo de filtraciones, es de suponer que a medida que se profundiza el túnel se comiencen a encontrar mejores zonas en el macizo (roca madre), además a la hora de empezar a construir el túnel se debe desviar el agua por medio de una ataguía ya que si llegara una creciente podría afectar parcial o totalmente la construcción, además de representar una gran pérdida económica.

Como se dijo anteriormente el túnel podrá trabajar como túnel o como conducto, cuando este trabaja como conducto se deben tener en cuenta las siguientes posibles soluciones:

La primera contempla la posibilidad que el túnel este por debajo de una altura mayor a 3 veces el diámetro, además es importante a notar que el techo del túnel debe tener una altura considerable para evitar cualquier tipo de accidente, ya sea por presiones tanto internas como externas.

La segunda habla de tener una parte, generalmente la inicial, trabajando como conducto con sus revestimientos necesarios y la segunda parte como túnel teniendo en cuenta la primera recomendación

Al trazar el túnel se deben tener en cuenta algunos factores tales como:

Zonas de antiguos derrumbes, esto me generaría una falsa impresión sobre el espesor real del macizo firme, lo mismo ocurriría con cauces secundarios, valles rellenados y fallas geológicas ya que allí se encuentra una gran zona de roca triturada que lo único que me generará será crear un espesor mayor en el diámetro además de un tratamiento especial en cuanto al cálculo estructural de túnel.

CONSTRUCCIÓN

La construcción de túneles tiene diferentes y variadas formas de hacerse:

Por cambios bruscos en temperatura: este es el sistema más clásico de todos, consiste en hacer una hoguera en el frente del túnel para calentar la roca, mas tarde se le aplica agua fría lo que producirá un resquebrajamiento y posibilitará una fácil remoción.

Por perforación y voladura: La perforación en este caso se hace por medio de la colocación de tacos de dinamita para luego volar la roca y perforar de este modo, luego de la voladura se debe sacar el humo y todos los agentes que puedan causar contaminación por medio de extractores, se comienza a sacar el material volado, se acondiciona luego con todos los servicios y hasta que no se termine este ciclo, no se puede comenzar con el otro.

Perforación completa: Se hacen con unas máquinas especiales, sólo se pueden hacer perforaciones circulares, la superficie que es excavada quedará casi completamente lista para empezar a funcionar lo que evitará las sobre excavaciones, además el material excavado se lleva a la parte posterior de la máquina por medio de bandas transportadoras manejando de ese modo una eficiencia máxima.

Con rozadoras: Es un brazo hidráulico articulado con dos ruedas que poseen elementos abrasivos, este brazo se puede mover tanto horizontal como verticalmente.

ESTIMACIÓN DE CARGAS

De acuerdo con unos apiques iniciales se puede saber el perfil y el estado del macizo que se tiene en la zona que se verá afectada por el

túnel, con estos apiques se pueden estimar unas cargas y tener un tipo de revestimiento para cada perfil y al comenzar a excavar se sabrá que tipo de sección es y que revestimiento le corresponderá.

Se hace también uso del estudio geosísmico, este estudio se hace por medio de explosiones y reflejos de la onda de explosión dándose cuenta del efecto que se tendrá en el macizo y que  altura tendrá el tipo del macizo necesario a la hora de construcción, la zona afectada se llamará zona descomprimida, al evaluar estas zonas podré ubicar diferentes tipos de cámara para diferentes usos, como cuarto de máquinas, de aireación, etc.

Las cargas que me van a afectar el diseño son básicamente; las producidas por al roca, las producidas por las fuerzas hidráulicas interiores y las fuerzas producidas por las hidrostáticas externas; es de alta importancia saber que en donde se crea existirá un mayor esfuerzo sobre el túnel a la hora de hacer el revestimiento se debe pensar en un determinado tipo de blindaje, para asegurar así el cumplimiento y la seguridad en el túnel.

REVESTIMIENTO

El diseño del revestimiento además de tener en cuenta todas las cargas que actuarán sobre el túnel debe contar con la más mínima posibilidad de pérdidas, deberá proporcionar el sostenimiento necesario y la impermeabilización en todos los casos.

APLICACIONES

Para efectos del estudio hemos considerado dos casos:

1.       Porce II

2.       Río piedras

 

En Porce II se construyeron los siguientes túneles:

-          De Desviación

-          De Conducción

-          Almenara aguas arriba (pozo hidráulico)

-          Túneles y pozos de aireación

-          Almenara aguas abajo

-          Túnel de descarga

Generalidades sobre construcción de túnelesIntroducciónUn túnel es una obra subterránea de carácter lineal, cuyo objeto es la comunicación de dos puntos para realizar el transporte de personas, materiales o agua, entre otras cosas. Normalmente es artificial.En función de sus cargas y usos los túneles pueden clasificarse en:· Con presión interior: son los destinados a conducir un fluido a presión. Suelen tener sección circular debido a su radio hidráulico ventajoso. En estos casos es de vital importancia que el terreno aledaño sea lo mejor posible y si no, debe tratarse.

Sin presión interior· Túneles hidráulicos: túneles que conducen agua en lámina libre. El túnel hace las labores de canal o bien aloja las tuberías de conducción.

Construcción de Túnel de Conducción

En el entorno laboral debe entenderse que en una obra se pueden generar accidentes o siniestros que afecten el bienestar de algún obrero. En esta etapa la inhalación de polvo de cemento, el transporte de material, las instalaciones eléctricas, la edificación de bases y la puesta de dovelas pueden ocasionar que estos obreros salgan afectados en algún periodo de tiempo sin una buena supervisión.

Entre éstos se incluyen: golpes de maquinaria especial, electrocución, sepultamiento por desprendimientos de techo o paredes, asfixia o lesiones por fuegos y explosiones. En los trabajos en túneles se pueden encontrar bolsas de agua no previstas que pueden producir inundaciones y anegamientos.

La construcción de túneles requiere un esfuerzo físico considerable. El trabajo se suele realizar en condiciones microclimáticas desfavorables de frío y humedad, y a veces en posturas de trabajo fatigosas. Todo ello suele ir acompañado de otros factores de riesgo que dependerán de las condiciones geológicas locales y del tipo de tecnología que se utilice. Esta pesada carga de trabajo puede contribuir notablemente a la fatiga por calor.

El trabajo de máquinas móviles grandes y potentes en un lugar cerrado introduce riesgos de lesiones graves al personal que trabaja en su

proximidad, que puede ser golpeado o aplastado por ellas. La maquinaria para estos trabajos también puede originar polvo, ruido, vibraciones y gases de los tubos de escape de los motores diesel.

La sílice cristalina (llamada también sílice libre y cuarzo) aparece de manera natural en muchos tipos de roca. Teniendo en cuenta que la sílice está omnipresente en la corteza terrestre, es preciso tomar muestras de polvo, al menos al comienzo de un trabajo subterráneo y siempre que el tipo de roca cambie a medida que el trabajo avanza.

Siempre que se procede al machacado, perforación, molienda o cualquier otro tipo de pulverización de una roca que contenga sílice, se originará polvo de sílice inhalable. El trabajo con estas herramientas se ejecuta más frecuentemente en el frente de avance del túnel y, por tanto, los trabajadores en estas zonas son los que sufren una mayor exposición. En tales casos, es de obligada aplicación la tecnología de eliminación del polvo.

Dado que el trabajo se realiza en un recinto cerrado, existe también un ruido importante a causa de la reverberación. Los niveles de ruido punta pueden sobrepasar los 115 dBA, siendo la exposición media ponderada de 105 dBA. Por lo expuesto, el potencial impacto a la seguridad y salud laboral se considera negativo y altamente significativo.

ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y REVESTIMIENTOS PARA TÚNELES

CAMPO DE APLICACIÓN

Esta sección contiene requisitos para la selección de las propiedades estructurales y las dimensiones de las estructuras enterradas, por ejemplo las alcantarillas, y las placas de acero utilizadas para soportar excavaciones de túneles en suelo.Las estructuras enterradas consideradas en la presente sección comprenden los tubos metálicos, los tubos metálicos construidos con placas estructurales, las estructuras de gran ancho construidas con placas estructurales, las estructuras tipo cajón construidas con placas estructurales, los tubos de hormigón armado, los arcos, estructuras de sección rectangular y elíptica de hormigón armado colado in situ y prefabricado, y los tubos termoplásticos.Túneles: Pertenecen a esta clase las obras subterráneas lineales, construidas en posición horizontal o inclinada. Los túneles pueden tener entrada y salida a superficie o también desembocar por uno o ambos extremos en otras obras subterráneas. También hay túneles que suelen

denominarse socavones y solo tienen una salida a superficie mientras el otro extremo es ciego. Las dimensiones transversales de los túneles en general tienen variaciones reducidas, desde unos tres m hasta quizá unos quince m, mientras las longitudes pueden llegar a tener variaciones significativas, desde pocos metros hasta decenas de kilómetros.Cuando la sección transversal de un túnel tiene pequeñas dimensiones y puede ser excavado normalmente por trabajadores que laboran de pie, recibe el nombre de galería.Si el túnel tiene sección tan pequeña, que no puede ser excavado normalmente por trabajadores de pie, recibe el nombre de microtúnel. En este caso la excavación se realiza con maquinaria teledirigida desde el exterior.

Las obras subterráneas más conocidas son los túneles, pues encuentran una gran variedad de aplicaciones en ingeniería, llegando a tal importancia, que su desarrollo ha marcado la evolución y avance de las demás obras subterráneas.Los túneles, dependiendo de su objetivo pueden ser viales, hidráulicos, comunales, mineros y especiales:

• Túneles viales. Son aquellos que se construyen con destino a carreteras, ferrocarriles, accesos vehiculares o sistemas de trenes metropolitanos. Estos últimos, por tener la característica de construirse en áreas urbanas y generalmente en terrenos blandos, constituyen clase aparte. Para cada objetivo el túnel tiene ciertas particularidades de tipo geométrico y operativo que se manifiestan en su diseño.

• Túneles hidráulicos. Son construidos para transportar agua, principalmente en hidroeléctricas, abastecimientos, sistemas de riego, navegación, canalización, etc.Dependiendo del régimen hidráulico, éstos pueden ser a presión o a flujo libre. En la Fotografía 1 se puede apreciar la desembocadura de un túnel hidráulico a flujo libre.

Túneles comunales. Son túneles construidos principalmente en las ciudades con destino a pasos peatonales, cables, tuberías, etc. Estos túneles en general se construyen en terrenos blandos, bajo vías, casas y edificaciones citadinas, requiriéndose métodos particulares de excavación para evitar daños en las estructuras superficiales.• Túneles mineros. Estas son obras subterráneas construidas para acceder a una explotación minera y sirve como vía para transportar materiales extraídos y suministros de explotación. También hay túneles mineros entre diferentes frentes de explotación del yacimiento. En general estos túneles tienen carácter temporal, supeditados al tiempo requerido para explotar los minerales, luego de lo cual la obra se abandona.• Túneles especiales. Se construyen con destinación específica y pueden ser para instalar drenajes o equipos, investigar un lugar, realizar pruebas, maniobras militares, alojar bandas transportadoras, etc. Su geometría, método constructivo y estructura se acomoda al objeto del túnel.Teniendo en cuenta su ubicación respecto a la geografía física del lugar, los túneles pueden ser:• En montaña. Cuando la obra se realiza para atravesar un obstáculo montañoso del relieve.Estos túneles se construyen para acortar distancias en las conducciones y vías de comunicación.• En plano. Cuando el túnel se construye en terrenos planos, generalmente ubicados en las ciudades, para dar solución a una vía o conducción. Tal es el caso de los túneles para Metro, autopistas urbanas, conducciones hidráulicas. En general estas son obras excavadas en suelos.• Subacuáticos. Se llaman así los túneles que se construyen para salvar el obstáculo de una corriente superficial de agua, tales como un río, canal o estrecho de mar. El túnel subacuatico más largo del mundo, ilustrado en la Figura 3, se construyó en Japón, bajo el estrecho de Tsugaru2 para unir las islas de Honshu y Hokkaido. Su construcción se inició en 1973 y concluyó en 1983.Dependiendo de la profundidad, también denominada cobertura o techo, los túneles pueden clasificarse en:

• Subsuperficiales. Si la cobertura no supera 50 m. En esta clasificación se encuentran todos los túneles construidos en las áreas urbanas.

• Poco profundos. Si la profundidad se encuentra entre 50 y 200 m. En esta clasificación se encuentra una inmensa cantidad de túneles cortos y medianos construidos en montaña.

• Medianamente profundos. Cuando la cobertura está entre 200 y 500m. Algunos túneles medianos y largos construidos en montaña se encuentran en este intervalo de profundidades.

• Profundos. Construidos con coberturas de 500 a 1000 m

• Muy Profundos. Cuando las profundidades de construcción superan 1000 m.En relación con la longitud, los túneles pueden clasificarse como:

• Cortos. Si la longitud no supera 500 m.

• Medianos. Si la longitud se encuentra en el rango de 500 a 2000 m.

• Largos. Cuando la longitud tiene entre 2 y 5 km.

• Muy largos. Si la longitud supera 5 km.

EVOLUCIÓN DE LAS OBRAS SUBTERRÁNEAS

De acuerdo con investigaciones históricas realizadas, la construcción de obras subterráneas es una actividad humana que data desde hace muchos años e incluso se remonta hasta los mismos orígenes de la humanidad.Si nos remontamos a la aparición del hombre sobre la tierra, es evidente que una de sus primeras preocupaciones, producto de su razonamiento, fue la selección de lugares adecuados para protegerse de las inclemencias del tiempo y los animales salvajes. En esa búsqueda, los lugares más seguros resultaron ser las cuevas que ofrecía la madre tierra, en donde indudablemente para hacerlas más habitables, se debían llevar a cabo trabajos de adaptación.No hay duda que aquí estuvo el origen de la ingeniería, cuando el hombre primitivo la creó para dominar el medio natural con el fin de abrirse paso en el mundo donde le correspondió vivir.El túnel más antiguo de que se tenga noticia fue construido en tiempos de Semíramis, hace alrededor de 4000 años, por debajo del Río Eúfrates en la antigua Babilonia (Makovskiy, 19483). Esta obra de 4 x 3.5 m de sección transversal y 900 m de longitud, fue revestida con ladrillo cocido pegado con asfalto y servía para comunicar el Palacio Monárquico con el Templo de Belos, que se encontraba al otro lado del río. La construcción de este túnel, realizada en material blando por el método de trinchera,

es evidente que requirió conocimientos de sus ejecutores sobre el tema, razón que conduce a pensar que antes de esta monumental construcción debieron haberse realizado otras obras subterráneas, incluso menos complicadas.Sobre este túnel, que se encuentra entre la realidad y el mito, no hay evidencias arqueológicas y solo se conoce de su existencia por los relatos del historiador Diodoro, quien vivió en Grecia un siglo antes de nuestra era, refiriéndose a la obra en los siguientes términos: “Entonces, desviando el río, ella construyó un pasadizo subterráneo desde un palacio hasta el otro; y haciéndolo con ladrillo cocido, ella revistió las cámaras abovedadas en cada extremo con betún caliente, hasta que consiguió que el espesor de éste revestimiento fuera de cuatro codos”. (Juncá, ob. cit).En la antigua Grecia se merece mencionar el túnel descubierto por arqueólogos en 1882 en la isla de Samos (Mar Egeo), el cual, con longitud de 1.0 km y sección transversal de 1.8 x 1.8 m, fue construido sin revestimiento para atravesar una montaña en el 530 a. C. con el propósito de dar agua a la capital de la isla. Según se dice, este túnel funcionó por cerca de un milenio (Juncá, ob. cit). La obra aparece descrita en los volúmenes del historiador Heródoto, quien vivió en Grecia del 485 al 425 a. C. y escribió sobre el particular lo siguiente: “Por las entrañas de un monte que tiene 150 orgías de altura abrieron una mina o camino subterráneo, al cual hicieron dos bocas o entradas. Empezaron la obra por la parte inferior del monte, y el camino cubierto que allí abrieron tiene de largo siete estadios, ocho pies de alto y otros tantos de ancho.”Estos son solo un par de casos que se mencionan sobre la actividad humana en obras subterráneas durante la antigüedad, pero hay todavía más relatos históricos que cuentan sobre trabajos bajo tierra realizados en Grecia y el Imperio Romano. Algunas de esas obras tuvieron gran significado en la época, tal como ocurrió con el Túnel de Fucino de 5.0 km de longitud y sección transversal de 3 x 1.8 m, construido en la ciudad de Salvino hacia el año 41a.C. para suministro de agua, el cual fue considerado en su momento como la obra pública más importante de todos los tiempos.Los túneles en la antigüedad se construían primitivamente, empleando herramientas manuales sencillas, con las que se removían suelos y rocas blandas. Cuando se trataba de excavar rocas duras se cree que recurrían a los cinceles, mazos y palancas para arrancar el material.Después de la caída del Imperio Romano, durante la Edad Media, la construcción de túneles entró en una época de inactividad y las pocas obras que se hicieron tenían escasa importancia, hasta el punto que nadie las menciona.Hacia 1450, antes del descubrimiento de América, se inició la perforación del primer túnel en los Alpes próximos al Mediterráneo, buscando la comunicación más directa entre Niza y Génova. Dicha

empresa fue abandonada, luego de haber excavado 2.3 km, debido a las grandes dificultades que se presentaban en su construcción, las cuales incluso paralizaron los trabajos en varias oportunidades durante muchos años (Makovskiy, 1947).

CONDUCTOS A TRAVÉS DE PRESAS DE TIERRA

Se utiliza este tipo de captaciones cuando se tiene alguna de las siguientes situaciones:

·        Condición geológica de los estribos no apropiada para hacer un túnel.

·        El diámetro necesario hidráulicamente es más pequeño que el mínimo requerido constructivamente para hacer un túnel.

·        El conducto enterrado resulta más económico que el túnel.

·        El tiempo disponible para la construcción de la obra es limitado.

 

Las causas de falla más frecuentes en este tipo de estructuras son:

·        Agrietamiento o colapso de la estructura causado por las cargas exteriores o asentamientos excesivos.

·        Agrietamiento o fractura de la estructura por efectos de la presión interior.

·        Tubificación entre el terraplén y el exterior del ducto. Se puede dar por una compactación deficiente o por la formación de grietas causadas por asentamientos diferenciales.

 

Una de las ventajas que presentan los túneles es que si falla la estructura no necesariamente falla la presa, mientras que en este tipo de estructuras en presas de tierra se dan las dos fallas simultáneamente. 

 

Bibliografía

http://biblioteca.unirioja.es/tfe_e/TFE000112.pdf http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/tuneles/

tuneles_y_pozos_hidraulicos.html http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/

captacionesytorresdetoma/captaciones_y_torres_de_toma_en_.html