Construcción de túneles. El siglo XX

PRINCIPALES PROYECTOS

El siglo XX ha conocido unos avances tecnológicos espectaculares en todos los campos. La industria de la construcción de túneles se ha beneficiado, notablemente, de estos avances tecnológicos, a partir de la segunda mitad del siglo XX y, más acusadamente, en la última década.

La actividad de la construcción de túneles experimentó un gran auge con la realización de numerosos proyectos muy importantes, entre los que cabe destacar: el túnel ferroviario submarino de Seikan (53,85 km, 1988); el túnel bajo el Canal de la Mancha (50,45 km, 1994); y el túnel carretero de San Gotardo (16,918 km, 1980).

Algunos túneles importantes construidos en el siglo XX

Año Nombre Longitud (km) Tipo2
1904-1906 Karawanken 8,000 F
1906 Simplon I 19,803 F
1913 Lütschberg 14,612 F
1922 Simplon II 19,824 F
1934 Appenino 18,507 F
1974-1978 Alberg 14,000 C
1974-1978 Tauern 6,400 C
1980 San Gotardo 17,000 C
1985-1991 Kan-etsu ≃ 2 x 11 C y S
1988 Seikan 53,850 F y S
1994 Eurotunel, Channel 50,450 F y S
1999 Vereina 19,058 F
2000 Laerdal 24,500 C

F: ferroviario; C: carretero; S: submarino

En España no se interrumpió la construcción de túneles ferroviarios, exceptuando los períodos de la I Guerra Mundial (1914-1918), de la Guerra Civil Española (1936-1939) y de la II Guerra Mundial (1939-1945).

Destacan en este periodo, por su importancia, los túneles ferroviarios siguientes: primer túnel de Somport (7.875 m, 1928), primer túnel Alfonso XIII (Viella, 5.230 m, 1948), Padornelo (5.949 m, 1958), entre otros.

Figura 5. En 1928 se construyo el Túnel de Somport —de 7.875 m— que facilitó la comunicación ferroviaria entre España y Francia.

A partir del año 1960 se inició la construcción de túneles carreteros, dentro del plan de Autovías y Autopistas, mereciendo destacarse por su importancia los de: el Turó de la Rovira (1976), que pasa por ser el primero que se construyó siguiendo los principios del NMA, el primer túnel de Guadarrama (3.345 m, 1972), el de Cadí (5.026 m, 1984) y el Negrón (4.184 m, 1993), entre otros.

Algunos túneles importantes españoles construidos en el siglo XX

Año Nombre Longitud (m) Tipo2
1928 Somport 7.875 F
1948 Alfonso XIII (Viella) 5.240 C
1958 Canda 2.080 F
1958 Corno 2.471 F
1958 Padornelo 5.949 F
1963

y 1972

Guadarrama I

y II

3.345 C
1976 Turó de la

Rovira

C
1984 Cadi 5.026 C
1991 Valvidrera 2.517 C
1992 Tosas 3.900 F
1993 El Negrón 4.184 C
1993 Padrun 1.785 C

F: ferroviario; C: carretero; S: submarino

En el entorno del último decenio, la construcción de túneles de metro, dentro de los planes de expansión de la red urbana ferroviaria, experimentó un notable crecimiento: Metro de Madrid (1919, 1995-1999), Metro de Barcelona (1924, 1995-1999), Metro de Bilbao (1988-1995) y Metro de Valencia (1988, 1995-1999).

AVANCE TECNOLÓGICO

El avance tecnológico en la construcción de túneles ha sido muy importante a partir de los años 1950; varios son los factores que han impulsado este salto tecnológico:

  • El incremento de la construcción de túneles para mejorar las infraestructuras del transporte.
  • El desarrollo de nuevos procedimientos constructivos.
  • El desarrollo de nueva maquinaria capaz de conseguir mayores rendimientos con un funcionamiento más seguro.
  • La incorporación de nuevos materiales para el refuerzo y el revestimiento.
  • La aplicación de los nuevos conocimientos geotécnicos y de mecánica de rocas.
  • La utilización de métodos de cálculo de estabilidad: empíricos, analíticos y numéricos.
  • La aplicación del control de calidad al proceso constructivo y a los materiales utilizados.

La conjunción de estos factores permitió mejorar, muy notablemente, la calidad de construcción de los túneles, si establecemos una comparación con la tecnología utilizada en el siglo XIX.

En el itinerario seguido por el avance tecnológico en la construcción de túneles en el siglo XX, pueden distinguirse varios hitos que han contribuido, de un modo decisivo, a incrementar el importante acervo técnico generado a lo largo del siglo y a mejorar la calidad de la construcción. A continuación, se detallan los principales hitos:

a) Las clasificaciones geomecánicas

Las clasificaciones geomecánicas que se desarrollaron empíricamente a partir de datos obtenidos en diferentes túneles, han contribuido, de modo destacado, a mejorar la calidad de los proyectos y el seguimiento en obra; en definitiva, a incrementar la calidad en los túneles, aportando un método racional, con sus limitaciones, para clasificar los terrenos, estimando sus previsibles comportamientos y asignando a cada tipo de terreno un refuerzo o sostenimiento adecuado a estos comportamientos. Algunas de las clasificaciones más importantes son las de: Terzaghi (1946), Lauffer (1958), Deere (1970), Bieniawski (1973, 1979, 1989), Rabcewicz-Pacher (1974), Barton (1974, 1979, 1993), código austriaco ÖNB 2203/1983, código suizo SIA 198/1993, código austriaco ÖNB 2203/1994, Pälmstrom 1995, y Hoek-Marinos (GSI) 2000. [ver referencias bibliográficas: 2, 58, 59]

b) El nuevo método austriaco

La principal aportación del NMA Rabcewicz (1962) a la metodología de construcción y a la calidad de ejecución de los túneles, ha consistido en poner de manifiesto la importancia que tiene para la estabilidad del túnel, la rápida aplicación de un refuerzo en contacto con el terreno, incorporando nuevos materiales: el hormigón proyectado, el bulonado sistemático radial, las cerchas metálicas y la construcción de una contrabóveda en caso necesario. [61, 84]

 

Figura 6. En la última parte del siglo XX se incorporaron a la construcción de túneles elementos capaces de un mayor rendimiento, como la rozadora y el robot gunitador, que mejoraron sensiblemente la calidad y la seguridad en la ejecución

Otro elemento esencial del NMA es la auscultación del túnel durante su construcción, realizando mediciones sistemáticas de las deformaciones y de las presiones sobre los sostenimientos y revestimientos, que permitan controlar la estabilidad del túnel e implantar un control de calidad del proceso constructivo.

El NMA realiza un diseño empírico dinámico del túnel, utilizando los datos de la auscultación durante la construcción, para confirmar el diseño inicial del proyecto o modificarlo en caso necesario. El NMA, aplicado como Método Observacional, debe cumplir las condiciones indicadas en el Eurocódigo EC-7 (1995).

Los principios del NMA han sido reformulados posteriormente varias veces —Rabcewicz-Pacher (1975), Müller (1978), ITA (1980)—, y su utilización ha contribuido, y sigue contribuyendo hoy en día, a incrementar el nivel de calidad de la construcción de túneles.

El fenómeno de la relajación que se produce en el terreno y en el revestimiento, como consecuencia de la excavación, se representa por las curvas características. [60]

c) El método observacional

El Método Observacional definido por Peck (1964) y redefinido posteriormente en el Eurocódigo EC-7 (1995), cláusula 2.7, y en el documento R185 (1999) CIRIA, es un método continuo de diseño interactivo que integra y gestiona las etapas de diseño y de construcción de un túnel, mediante la medición sistemática de deformaciones y la interpretación de los datos obtenidos. El método observacional la modificación del diseño inicial del proyecto para adaptarlo, en caso necesario, a los comportamientos reales observados durante la construcción. [25, 54, 60]

En realidad, el Método Observacional es un método de control del proceso constructivo que contribuye eficazmente a mejorar la calidad de los túneles, aportando seguridad y economía al proceso constructivo, permitiendo gestionar y mejorar las incertidumbres geotécnicas y estableciendo un enlace permanente ente los equipos de proyecto y de construcción.

La interpretación de los datos de auscultación y las posibles modificaciones se realizan siguiendo un protocolo preestablecido (Figura 1). La técnica del retroanálisis, utilizando programas de cálculo numérico (E.F./D.F.), permite realizar una interpretación de los datos de auscultación más rápida y fiable, facilitando la toma de decisiones. El M.O. define previamente unos niveles de deformación: zona segura (verde), zona de decisión (ámbar), zona de aplicación de las modificaciones establecidas (rojo) y zona de aplicación de los planes de emergencia previstos (Figura 2). La correcta aplicación del Método Observacional requiere el cumplimiento de las cuatro condiciones establecidas en el Eurocódigo 7 (EC-7), antes de iniciarse la construcción del túnel.

Figura 7. Método Observacional. [54]
Figura 8. Método Observacional (M.O.). Niveles de asientos. [54]

d) Modelos de comportamiento del terreno

El conocimiento de los procesos de rotura de suelos y rocas experimentó un avance significativo durante el siglo XX, lo que ha permitido una mejor estimación del comportamiento de los terrenos y una mejor calidad de los proyectos.

Se han desarrollado diversos modelos constitutivos para diferentes terrenos. Para terrenos cohesivos: Tresca (1864), Von Mises (1913), Cam-Clay (1958); para terrenos cohesivo-friccionantes: Mohr-Coulomb (1900), Drucker-Prager (1952), Cam-Clay modificado (1968); para cualquier tipo de suelo: Mohr-Coulomb modificado, Hardening Soil HS (2000); para rocas: el criterio de Hoek-Brown (1980, 1997, 2000, 2006), ligado a las clasificaciones geomecánicas.

e) Modelos empíricos, analíticos y numéricos

Los métodos para determinar la estabilidad general de los túneles, y del frente de excavación en particular, experimentaron un gran desarrollo en el siglo XX. La utilización de estos métodos ha permitido mejorar muy notablemente la fiabilidad y la calidad de los proyectos de túneles. Algunos de los modelos más conocidos son:

E1 – Modelos empíricos: Broms-Bennermark (1967).

E2 – Modelos analíticos de equilibrio límite: Terzaghi (1951, 1977), White (1977), Murayama (1985), Krause (1987), Jancsecz-Steiner (1994), Anagnostou-Kóvari (1994, 1996), entre otros.

E3 – Modelos analíticos de análisis de límite: Attkinson-Potts (1977), Davis et al. (1980), Atkkinson-Mair (1981), Leca-Dormieux (1990), entre otros.

E4 – Modelos analíticos, curvas características, convergencia confinamiento: Fenner (1938), Pacher (1963), Salencon (1967), Gaudin et al. (1981), Aftes (1984), Panet (1993, 1995), Carranza Torres y Fairhust (1999, 2000), entre otros.

f) Ensayos mediante centrifugadora

Durante la segunda mitad del siglo XX, se realizaron algunos ensayos centrífugos en el laboratorio para estudiar, en modelo reducido, la estabilidad del frente en suelos. Los resultados obtenidos, aunque escasos en número, permiten validar los obtenidos utilizando otros métodos, analíticos o numéricos. Son conocidos los ensayos realizados por: Mair (1979), Kimura-Mair (1981), Chambón-Corté (1989, 1994), Chambón et al. (1991), Bezuijen et al. (1994), Mackin-Field (1998), entre otros.

La calidad de los proyectos de túneles se incrementaría considerablemente utilizando modelos de estabilidad más precisos y fiables. Esto exige disponer de un mayor número de datos procedentes de ensayos de laboratorio, para realizar una validación más fiable de los resultados obtenidos en cálculos numéricos.

g) Métodos Numéricos

Los Métodos Núméricos de cálculo de estabilidad de túneles comenzaron a desarrollarse en la segunda mitad del Siglo XX y se han convertido en una herramienta poderosa, en manos expertas, para analizar la estabilidad de los túneles, determinando la distribución de las deformaciones y tensiones alrededor de la superficie del túnel, permitiendo validar los diseños de los sostenimientos, los revestimientos y las fases constructivas desarrolladas en el proyecto.

Los cálculos en 3D, con un adecuado número de nodos, permiten obtener resultados muy precisos en zonas especiales como entronques, boquillas y frentes de excavación, en condiciones difíciles. Su utilización correcta contribuye muy significativamente a incrementar la fiabilidad y la calidad de los diseños. Los modelos de cálculo desarrollados pueden agruparse en:

G-1 – Modelos continuos de elementos finitos (FEM): Clough (1960), Zienkiewicz (1967), Hocking (1976) entre otros.

G-1 – Modelos continuos de diferencias finitas (FDM), FLAC: Cundal (1971), Desai-Cristian (1977), Shi (1988).

G-2 – Modelos continuos de elementos borde (BEM): Telles-Brebbia (1981).

G-3 – Modelos continuos de super-elementos borde (BSEM): Beer (2001).

El empleo de Métodos Numéricos es también una herramienta eficaz y fiable para realizar un retro-análisis, durante la fase de construcción del túnel, utilizando los datos obtenidos de la auscultación para verificar el diseño inicial del proyecto o para adecuarlo a las condiciones reales observadas.

La obtención de resultados fiables con la utilización de los Métodos Numéricos, exige un conocimiento geológico-geotécnico adecuado de los distintos terrenos y de sus comportamientos previsibles durante la excavación. Esto obliga a realizar los estudios geológicos y geotécnicos necesarios para disponer de un suficiente número de datos cualitativos y cuantitativos de las distintas litologías presentes.

Es de la mayor importancia elegir el modelo constitutivo y el método de cálculo numérico adecuados a cada tipo de terreno. También tiene una importancia decisiva el conocimiento y la experiencia necesarios sobre los métodos constitutivos y los métodos de cálculo numérico, que se vayan a utilizar, por parte del personal técnico.

LA MAQUINARIA Y LA CALIDAD EN LOS TÚNELES

La maquinaria utilizada en la construcción de túneles experimentó un desarrollo espectacular durante el siglo XX, acentuado en el último decenio. Se incorporó maquinaria capaz de alcanzar mayores rendimientos, que contribuyó a mejorar notablemente la calidad y la seguridad en la ejecución.

Hitos importantes en la maquinaria de túneles del siglo XX

Año Máquina
1951 TBM cabeza abierta
1960 Rozadoras; martillo de impacto
1972 Doble escudo
1974 Escudo presurizado (lodos)
1976 Escudo presurizado EPB
1980 Mobil Miner
1985 Escudo presurizado mixto. Erector automático de dovelas
1987 Escudo de cabeza múltiple
1988 Escudos articulados
1989 Escudo convertible roca, suelo
1990 Cortadores de disco, 500 mm, 320 KN
1993 Escudos sección rectangular/oval; 3ª

generación Mobil Miner

1996 Escudos multicirculares de presión de lados y de tierras
1997 Escudos “Twister”

Mención especial merece el espectacular desarrollo de las tuneladoras, principalmente los escudos de frente presurizado. Su utilización creciente en la construcción de túneles en suelos y rocas, ha supuesto un gran paso tecnológico. La excavación mecánica a sección completa hace más segura la construcción de túneles, con rendimientos muy superiores a los anteriormente alcanzados, con la posibilidad de una mejor calidad de ejecución y con un mayor control del proceso.

Hitos importantes en la maquinaria de excavación de túneles

Año Maquinaria
≃1920 Gunitadora
≃1920 Martillo perforador. Neumático manual
1940 (1925) Barrenas punta de Widia
1950 Gunitadora rotativa
1960 Jumbo neumático
1960 Rozadoras
1970 Jumbo hidráulico
1980 Jumbo hidráulico computerizado
1990 Bulonadura automática
1990 Robot gunitador

En España se vienen utilizando en los últimos años, con notable éxito, un número considerable de escudos de presión de tierras (EPB) en la construcción de túneles de metro en las principales capitales como: Madrid, Barcelona, Valencia, Sevilla,.., que han permitido obtener tiempos record de construcción con costos inferiores a otros proyectos internacionales similares.

 

Figura 9. El espectacular desarrollo de las tuneladoras, principalmente los escudos de frente presurizado y los erectores automáticos de dovelas, han representado un avance fundamental en la construcción de túneles.

LOS MATERIALES Y LA CALIDAD EN LOS TÚNELES

La incorporación de nuevos materiales a la construcción de túneles en el siglo XX, ha contribuido muy notablemente a mejorar la calidad y la seguridad de la construcción, y a reducir el tiempo y el costo de ejecución. El empleo sistemático del hormigón proyectado o gunita, como material de refuerzo y sostenimiento (1950), supuso un antes y un después en la construcción de túneles. La proyección neumática en capas del hormigón proyectado, proporciona un refuerzo rápido y flexible que recubre la superficie excavada y acompaña a ésta en sus deformaciones.

Materiales de refuerzo, sostenimiento y revestimiento

Año Material
1948 Cerchas TH
1952 (1914) Hormigón proyectado (gunita)
1950 (1913) Bulones metálicos
1970 (1960) Revestimiento de dovelas con inyección de trasdós
1970 Hormigón proyectado reforzado con fibras metálicas
1975 Cerchas reticulares
1978 Hormigón inyectado (extruido)
1990 (1980) Hormigones alta resistencia, hor- migones autocompactantes
2000 Sostenimientos deformables
Figura 10. Revestimiento de dovelas con inyección de trasdós

La incorporación del bulonado radial sistemático, como refuerzo del anillo de terreno que rodea la excavación, es otra de las aportaciones importantes a la técnica de construcción de túneles, que permite aplicar un refuerzo flexible al terreno reduciendo las deformaciones.

En definitiva, la aplicación correcta del hormigón proyectado y del bulonado sistemático mejora notablemente la seguridad en la construcción y, por tanto, la calidad de ejecución de los túneles.

Otro de los elementos importantes en la construcción de túneles en roca son los explosivos. El siglo XX contribuyó a mejorar la eficacia y la seguridad de aplicación de los explosivos, incorporando nuevos materiales explosivos como: el ANFO, los slurries, los detonadores no eléctricos y las papillas explosivas.

Explosivos en el siglo XX

Año Material
1900 Detonadores eléctricos de retardo
1907 Cordón detonante
1943 Detonadores eléctricos de microretardo
1955 ANFO
1960 Slurries
1973 Detonadores no electrónicos (seguridad)
1990 Detonadores electrónicos (seguridad y precisión)
1990 Papillas explosivas

En relación con proyectos relevantes, durante el siglo XX se construyeron túneles muy importantes como los túneles de Seikan y el Eurotúnel. En el siglo XX se ha construido un considerable número de túneles, produciéndose un importante incremento en los últimos 30 años.

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