Tipología de Túneles e Introducción al Diseño

Taller Hidráulica III

Tema: Túneles

Por: Milton Fernando Ojeda Salazar

1) Definición de Túneles

Se llama túneles a los conductos excavados bajo tierra, los cuáles generalmente se usan

para atravesar una loma o elevación, proceso que permiten acortar la longitud de

conducción.

1.1. Usos

Poseen usos varios tales como acortar la longitud de la conducción, generar carga de

presión desde un punto más elevado a un punto más bajo como los túneles de carga,

por razones topográficas o geológicas, y en reemplazo de la construcción de un canal.

2) Formulario para el diseño de la sección de túneles. Características hidráulicas de

un túnel. Gráfico esquemático de sus componentes.

Sección transversal: La forma y revestimiento dependen de la presión a la que está

sometida el agua que escurre por su interior, siendo la forma circular la más

conveniente debido a que tiene la máxima capacidad para la mínima sección,

resistiendo mayor presión.

Excavación mínima posible: 2,0 m de ancho por 2,2 m de alto (rectangular) y 3,2 a 3,5

m (sección acueducto).

Diámetros Mínimos por Construcción: Se recomienda que su sección no sea menor a

1,80m para sección baúl, 2 k para sección herradura y 2,20 para sección circular.

Túneles con flujo libre: Relación h/D = 0,94.

Considerando el efecto de las olas y ventilación de la parte superior del túnel: h/D <

(h/D) < 0,8.

Escurrimiento: Bn/Bc (En/Ec) ≥1,1.

Velocidad máxima Recomendable: Roca en buen estado = 4,5 m/s; roca

descompuestas = 2,5 m/s; Roca expuesta, solera de concreto = 3m/s; perímetro con h.

proyectado, solera de hormigón 4 m/s; revestimiento de hormigón con moldes de

acero = 6m/s, y revestimiento de palastro = 10 m/s.

3) Aspectos a considerar para revestir o no un túnel. Cálculo del revestimiento

- La función del revestimiento es resistir la presión del material dentro del cual se

hizo la excavación, y para el caso de túnel a presión se requiere resistir o trasmitir

a la roca que le rodea la presión del agua, así como la reducción del coeficiente de

rugosidad.

- La presión del material puede ser vertical u horizontal; rocas duras no

descompuestas y poco agrietadas no trasmiten presión a diferencia de las

materiales como arenas, limos y arcilla.

- Se calcula la presión horizontal unitaria dada por:

- El momento máximo producido en la clave del arco será:

- El espesor del revestimiento se lo escoge en función del diámetro y del coeficiente

f para los diferentes tipos de terreno.

- Existen espesores mínimos para el tipo de terreno, siendo 15cm para roca y 20cm

para tierra.

- Finalmente el espesor del revestimiento calculado se lo obtiene en la fórmula

presentada a continuación el valor de t.

4) Métodos de construcción de Túneles. Detallar criterios sobre el uso de túnel de

piloto.

- Se consideran tipos de secciones menores a 15m2 como menores y mayores a ese

valor como mayores.

Existen varios métodos de procedimiento para realizar la excavación de los túneles

como:

- Método Inglés

- Método Belga

- Método Francés

- Método Austriaco

- Método Alemán

- Método Americano

- Método del Túnel Piloto

Frecuentemente cuando las dimensiones del túnel son lo suficientemente grandes

para justificarlo, se construye primero un túnel piloto, es decir una galería de

dimensiones mínimas que se ubica por lo general en la parte inferior del principal.

- Las ventajas obtenidas a través de éste método:

EI túnel piloto permite conocer exactamente las condiciones geológicos que se van a

presentar.

Se requiere conocer de antemano el tipo de material y sus características geológicas

(fallas, grie dos constructivos más convenientes.

- El túnel piloto permite prever las condiciones de construcción del túnel.

AI conocer por anticipado los suelos que se van a atravesar, es posible prever los

avances en cada tipo de material y por lo tanto establecer un programa fijo de

construcción. Esto es una gran ventaja, pues así se pueden organizar de antemano los

trabajos y la adquisición de materiales, contratar a la gente, etc. y determinar con

bastante exactitud los costos unitarios y totales.

- El túnel piloto disminuye el sobre-excavación

- El túnel piloto permite un mejor diseño del revestimiento.

- El túnel piloto disminuye el costo de la excavación del túnel.

3. Avances Constructivos y Medidas de Seguridad

- Perforación: La perforación se hace con barrenos neumáticos. Los soportes de los

barrenos están diseñados en tal forma que se pueden perforar huecos en

cualquier punta de la sección.

- Explosión: La fase de explosión comprende la colocación de los explosivos, el

taponamiento de los huecos, la salida de la gente y de los equipos y la detonación.

La colocación de cartuchos y el taponamiento se hacen generalmente con la

velocidad de 20 m/minuto.

Como explosivos se utilizan distintas sustancias, como: dinamita, nitrato de

amonio con dinamita (nilite), driftita, gelamite, etc.

- Escombreo: EI material derrumbado por la explosión tiene que ser llevado al

exterior. Hay que tomar en cuenta que al pasar del estado natural compacto al

desmenuzado, su volumen aumenta de 1.5 – 2.0 veces.

- Transporte.- EI material es cargado en carros decauville empujados o arrastrados

por locomotoras, para ser llevado hacia afuera.

En general, exceptuando secciones muy grandes, se procura evitar motores de

combustión interna en el interior de un túnel y por eso las locomotoras y de ser

posible el equipo sobre llantas neumáticas, trabajan con energía eléctrica

proporcionada por baterías. EI transporte sobre neumáticos es mucho más

cómodo pues no se necesita colocar rieles.

Encontrar las dimensiones necesarias de un túnel en forma de baúl para un caudal Q =

2m3/s con una gradiente de i = 0.0004. EI material del túnel es roca y se deben comparar

los costos del túnel con y sin revestimiento.

Túnel sin revestimiento (n = 0.04)

Tenemos de la ecuación 7 – 9

3 = Kq x 0.02

Kq = 150

Se asume una relación d/r = 1.70 por lo que se tiene de acuerdo a la siguiente

tabla.

𝐾𝑞 ∗ 𝑛

𝑟83

= 2.23

𝑟83 =

150 ∗ 0.04

2.23= 2.58

𝑟 = 1.43𝑚

La altura de seguridad es 0.3 x r = 0.43 >

Tenemos entonces que el alto y el ancho del túnel debe ser 2 ∗ 𝑟 = 2.86

El calado del agua será: 𝑑 = 1.70 𝑟 = 2.43𝑚

El área mojada 𝐴 = 3.2485 ∗ 1.432 = 6.65𝑚2

La velocidad 𝑉 =3

6.65= 0.45𝑚/𝑠

El área excavada 𝐴𝑒𝑥 = 3.5439 ∗ 1.432 = 7.25𝑚2

Poniendo el costo de excavación en roca a S/. 200/m3 tendríamos que el costo por 1

metro lineal del túnel sería S/. 1 450/m.

Túnel revestido (n = 0.015)

Tratándose de roca compacta que resiste altas velocidades y no produce filtraciones,

aparentemente no hace falta revestimiento. No obstante las asperezas de la roca, muchas

veces la reducción con el coeficiente de rugosidad permite disminuir la sección tanto que

compensa el costo del revestimiento.

𝑟83 =

150 ∗ 0.015

2.236= 1.008 = 1𝑚

EI calado es 1.60 m, o sea que se cumple con la condición de que la altura de seguridad no

debe ser menor de 40 cm. EI área mojada sería 3.07 m y la velocidad 0.97 m/s.

Asumiendo un espesor medio de revestimiento de 8 cm de concreto tendremos:

Tomando para el revestimiento un precio unitario de S/. 600.oo m3 tendríamos el costo por un metro de túnel:

7) Nuevos dispositivos constructivos. Tuneladoras: Tunnel Boring Machine - TBM S-67

Tuneladora (TBM:Tunnel boring machine)

Las tuneladoras excavan una sección completa de forma circular, mediante una cabeza

giratoria dotadas de discos o picas de corte. Se pueden utilizar

en un amplio rango de calidad, con menores rendimientos para rocas de alta calidad.

Su principal ventaja es el rendimiento que pueden alcanzar, ya que en un proceso

continuo excavan, limpian, sostienen y revisten el túnel. Tienen limitaciones importantes

en macizos rocosos de calidad heterogénea, con fallas, filtraciones, terrenos plásticos o

con altas tensiones. Se requiere de un conocimiento muy completo de las condiciones

geológicas del terreno a perforar.