UNIVERSIDAD AUTONOMA TOMAS FRIAS

CAPITULO III TUNELESIngeniera geolgica de tneles.- Podemos resumir en los siguientes factores:

Factores geomorfolgicos

Factores litoestratigrficos

Factores geoestructurales

Factores hidrogeolgicos

Factores geodinmicos

Factores ambientales

- Factores Geomorfolgicos.-Relieve del terreno

Tipo de rocas

Forma del terreno (roca, terreno-roca)

Terrenos fisurados incompetentes

- Factores Litoestratigrficos.- Se refiere a la unidad de un tipo de roca, las unidades de rocas o suelos son los medios donde se construir el tnel.

Estas unidades litogenticas tienen su nombre litolgico que est asociado por su gnesis, composicin mineralgica, textura y estructura.

Rocas gneas intrusivas son los tipos litolgicos que tienen mayor homogeneidad e isotropa en sus propiedades.

Rocas sedimentarias y algunas rocas metamrficas presentan gran heterogeneidad en sus propiedades geolgicas.

Dentro de este marco geolgico cada tipo de roca sealar con qu facilidad o problemas se va a construir el tnel.

- Factores Geoestructurales.- Son elementos que controlan la estabilidad de una excavacin:

La orientacin de estratos.

Pliegues

Fallas

Junturas

Orientacin de estratos.- Influye en la estabilidad, en la distribucin de fuerzas en el permetro del tnel. Estos esfuerzos dependern del rumbo y buzamiento de los estratos.

La posicin ms favorable es cuando el Rumbo es perpendicular al eje del tnel y su Buzamiento vertical. Excavacin del tnel efectuando contra el buzamiento del estrato son desfavorables.

Estratos inclinados con rumbo paralelo al eje del tnel ejerce mayores esfuerzos sobre los hastiles; mientras los estratos semi verticales o verticales y con rumbo paralelo al eje concentran esfuerzos a las bvedas.

Pliegues.- Un tnel proyectado en una zona plegada (anticlinal, sinclinal) presentan diferente condicin de estabilidad.

Un tnel que sigue el eje de un anticlinal tendr mayor estabilidad puesto que la presin vertical de tnel es menor.

En el sinclinal el tnel queda expuesto a deslizamientos de bloques hacia el tnel y la presin sobre el tnel ser mayor.

Si el eje del tnel es perpendicular hacia el eje sinclinal o anticlinal, los esfuerzos actuan de diferente manera, segn sea el caso.

Fallas.- El accidente de mayor importancia en la estabilidad del tnel es la falla o zonas de fallas que traen consigo problemas mltiples en la fase constructiva del tnel.

Si el trazo de tnel pasa una falla activa lo ms recomendable es cambiar el trazo o asumir los riesgos.

Considere que los materiales de relleno en la falla son brechas y roca molida que absorbe humedad generando grandes presiones sobre el revestimiento del tnel.

En la fase constructiva del tnel lo ms recomendable ser atravesar la falla casi en forma perpendicular.

Juntas.- Son planos de debilidad del macizo rocoso que influye negativamente en el tnel un macizo con junturas dependern de las dimensiones y el nmero de ellas que mantiene.

- Factores Hidrogeolgicos.- Est relacionado por la mayor o menor cantidad de agua que podemos encontrar en las rocas.

Los posibles efectos del agua subterrnea sobre el medio geolgico del tnel son:

Cambio en el curso del agua por saturacin.

Presin hidrostticas altas sobre el macizo rocoso periferia del tnel y revestimiento.

Accin corrosiva sobre el revestimiento (arcos metlicos)

Procesos negativos sobre la periferia del tnel traer consigo el poco avance en la zona contructiva del tnel.

- Factores Geodinmicos.- Son procesos erosivos de los materiales o movimiento ssmicos.

Procesos de meteorizacin

Deslizamientos

Tneles ubicados en las laderas del cerro tendrn problemas erosivos.

- Factores Ambientales.- Se consideran en este aspecto zonas que tienen presencia de gases o altas temperaturas.

Influencia de la estratificacin de las rocas en la presin sobre el revestimientoEn la construccin de un tnel, es una parte importante el estudio previo de la valoracin de la capacidad de acuamiento en la bveda de las rocas en que se ha de construir. Si las rocas estn fisuradas, no puede desarrollarse suficientemente la disposicin en arco. Las rocas gneas suelen ofrecer en general, buenas posibilidades en este sentido. Lo mismo se puede decir de las formaciones estratificadas siguientes:

Eje del tnel y el sentido del buzamiento

Horizontales o en pequeos buzamientos y rumbo paralelo al eje del tnel

Horizontal.- El tnel es ms favorable ya que la presin y las condiciones de estabilidad de la roca estn distribuidas de modo uniforme sobre toda la seccin.

Uso de pernos es eficiente en el techo, depende del espesor e intensidad de fracturacin del estrato

Formaciones con fuertes buzamientos cuyos rumbos son perpendiculares al eje del tnel

Perpendicular.- Condiciones favorables.

Zonas crticas: Depende de la roca y su alteracin, son locales.

En general es buena an cuando las caractersticas de las rocas son diferentes

La presin total sobre el revestimiento de un tnel y la forma en que se distribuye a lo largo de l dependen, en primer lugar, de la estratificacin de la roca en la que se construye. En las posiciones reflejadas en las figuras el revestimiento experimenta presiones verticales ms o menos uniformes.

Inclinado.- Condiciones desfavorables son difciles. Las presiones, son mximas en el techo. Tnel con proteccin y revestimiento son requerido.Existe una inclinacin para su mxima inestabilidad de cuas en el techo del tnel.Los estratos oblicuos producen una concentracin de la presin a uno de los lados del tnel

Inclinada en la misma direccin.- Las distribuciones del empuje y la condicin de estabilidad son favorables en 50%.

Oblicua.- Todas las condiciones mencionadas varan solamente sobre las diversas partes de la seccin sino a lo largo del eje del tnel, debido al cambio de tipos de roca.

Vertical.- Las presiones sern mximas tratndose de las presiones laterales, depende de la altura del tnel. Se puede suponer que la presin se concentra en la clave del arco

El espesor del estrato puede definir las ventajas o desventajas.

Anticlinales y sinclinalesAnticlinalLa situacin de un tnel en un anticlinal tiende a aliviar la presin vertical sobre el revestimiento

TUNEL EN UN ANTICLINAL

a) El tnel est en el ncleo: Se observa: Presiones en ciertas zonas. Adems pueden encontrarse zonas ms flojas. Traccionadas en general, las presiones en el techo son mayores.

b) Las presiones son siempre mayores en las bocas y en el rea central se concentra los derrumbes, deslizamientos, etc.

c) Si el terreno en que el tnel est situado es permeable, el agua escurrir afuera.

Sinclinal

Tnel en un sinclinal

a) Acta ante todo la gravedad en direccin vertical. Producen deslizamientos sobre superficies de menor cohesin cuando se trata de sedimentos o rocas esquistosas.

Si el plegamiento ha sido tan intenso que ha destruido la cohesin de las rocas stas aparecen quebrantadas.

b) Las presiones son mximas en los extremos y los deslizamientos son frecuentes. c) El agua dentro de un tnel en un sinclinal tendera a fluir hacia dentro.

Monoclinal

Tnel en un monoclinal

Las presiones son desarmonizadas, pueden originar planos de falla a lo largo del eje. En cambio se puede aprovechar un estrato para evitar el deslizamiento siempre que se pueda compensar empujes y su espesor lo permita.

Tneles en estructurasSimtrico

Se observa que el tnel se mantiene en el mismo terreno.

Las presiones permanecen constantes a lo largo del tnel, es lo ms estable: Parte menos resistente, el techo.

La inclinacin de los flancos y pueden llegar a ser crticos, por lo que debe revestirse para evitar filtraciones.

b)Caso en que los ejes son perpendiculares.

Las presiones varan a lo largo de todo el tnel, al pasar de un extremo al otro del pliegue.

Siendo las rocas de la parte central las ms crticas, de poca estabilidad, requiere proteccin, entibado especial inmediatamente despus de la excavacin.

Asimtrico

El tnel atraviesa oblicuamente diferentes estratos. Los desprendimientos se presentan por zonas y en estos casos la fortificacin debe preverse y efectuarla despus de la excavacin. El revestimiento ser slo en la parte solicitada.

El tnel avanza atravesando terrenos diferentes cuya direccin de sus estratos con el eje forman ngulo agudo.

En este caso el empuje se hace crtico cuando el ngulo & se acerca al de friccin interna de las rocas; por lo que es variable.

Lateralmente acta el buzamiento de las capas afectadas.

Tneles prximo a las laderas escarpadasEn algunos casos se pone en peligro la estabilidad del tnel entero por la estratificacin desfavorable de las rocas que lo rodean. Representa un emplazamiento que se presenta con frecuencia cuando un ferrocarril o carretera sigue una ladera rocosa con fuerte pendiente hacia un ro o un lago. En tales casos, la va que se emplaza alternativamente en tneles y en viaductos

deben situarse lo ms cerca posible de la ladera rocosa escarpada; sin embargo, tales emplazamientos piden que se investigue con mucho cuidado su estabilidad.

Muy estable.- Por tener estratos horizontales puede haber desprendimientos en el caso ms crtico, en el techo.

Con empernado se evita o corrige.

Muy estable.- Sin embargo depende de la posicin del tnel con el perfil del talud y su cercana al talud, como el espesor de los estratos y la seccin transversal, etc.

Muy estable.- Presiones controlables por encontrarse fuera de la zona de influencia de concentracin de tensin en la roca.

Es ms inestable al acercarse al talud generalmente en medio tnel.

Poco estable.- Si la inclinacin es hacia el talud: Existe un potencial de inestabilidad de evitar acercar demasiado y los medios tneles son peligrosos. No hay forma de evitar los deslizamientos.

La fisuracin de la roca, perjudica a la seguridad del tnel.

Poco estable.- Inestabilidad por canales y zonas permeables. La presencia de agua siempre es un problema en tneles durante su construccin, tratamiento y control.

Bastante inestable.- Siempre que no exista tendencia en la direccin de la inclinacin

Los derrumbes locales son comunes

Las presiones del lado interior son mayores

Generalmente su estabilidad es incierta estando expuesto a un riesgo necesita de estudio especial y reforzamiento.

Tneles en zonas falladas

Se mantiene siempre en la falla. Si son paralelas el tnel puede desarrollarse o entre la falla o a lo largo, de manera que la falla permanezca sobre la parte superior o techo, o tambin sobre el piso del tnel. Es el caso ms crtico en todo el eje.

Se mantiene en la caja pie

No interesa la activacin de la falla.

Requiere de un estudio claro de la ubicacin e influencia de la falla.

Se mantiene en la caja techo

Es semejante al anterior slo que si es la zona desplazada. Puede influir en el tnel.

Atraviesa a la falla

En la interseccin siempre es dbil. Su dificultad depende si es:

Activa

Area de influencia

Existencia de brecha

Panizo o material alterado.

No lo toca: el tnel esta fuera de la misma

No hay problema salvo si es activo. Puede ser determinante en zona ssmica por su liberacin de energa.

La atraviesa diagonalmente

Comprobar si la falla es o no activa, ya que si fuera lo ltimo, la solucin es cambiar el trazo evitando atravesarla.

Es una situacin ms desfavorable, pero local.

Tnel que atraviesa zonas acuferas

a) Rocas permeablesTnel en roca permeable por fisuracin

En este caso el revestimiento es total y se estudiar un drenaje especial. Impermeabilizacin, inyecciones, drenajes y revestimiento

b) Rocas parcialmente permeablesTnel en un horizonte acufero

El revestimiento es parcial, controlable

Debe tratarse inmediatamente despus de localizarlo. Requiere de un estudio estratigrfico y de porosidad

c) Suelos permeablesTnel en suelo permeable por porosidad.

Los mtodos de avance son especiales como el de congelacin o el de cmara de presin

El revestimiento no falta

Difcil control geolgico, l comportamiento depende del tipo de suelo.Generalmente los tneles en suelos siempre representan mayores problemas que en rocas.

Sostenimiento del recubrimientoEntibacin.- Los tneles en roca firme pueden construirse sin revestir.

El revestimiento, si se construye, suele ser de hormign armado o sin armar. Durante la construccin del tnel que debe revestirse el terreno en su interior debe fortificarse con madera, acero, o anclajes para sostener el techo.

Sostenimiento activo de rocaAnclaje mecnico mediante pernos de roca pensionados

Barras de anclaje inyectadas o a friccin

Barras de anclaje no tensadas inyectadas con mortero

Pernos de roca anclados por friccin SWELLEX

Estabilizacin de roca por friccin Split Set

Barras fijadas con resinas

Cables con mortero

Sostenimiento pasivo de rocasMallas

Platinas metlicas

Concreto proyectado

Arcos metlicos

Principios y procedimientos de la ingeniera geolgica en las obras civiles y subterrneasReconocimiento geolgico previo a la construccin del tnel.- En la mayora de los casos el trazado, tamao y forma de la seccin del tnel se establece con anterioridad al reconocimiento geolgico. ste suele ser el caso en los tneles urbanos, los de carreteras y ferrocarriles, y tambin los tneles de conduccin de agua en los que las condiciones hidrulicas determinan el tamao y forma de la perforacin. Sin embargo, el hallazgo en el reconocimiento previo de unas condiciones geolgicas particularmente malas puede dar lugar a un nuevo trazado del tnel.

El documento geolgico bsico utilizado en el proyecto de un tnel es un corte dibujado a lo largo de su plano axial. Este corte debe indicar los diferentes tipos de rocas y tierras en el trazado del tnel, lmites entre ellas (contactos) y deficiencias geolgicas, como fallas. Si se pueden conseguir datos suficientemente seguros, se debe indicar el nivel hidrosttico en el corte. ste suele ir acompaado generalmente del plano geolgico de la superficie del terreno. El mapa debe indicar las diferentes formaciones: rasgos estructurales como fallas, diaclasas, rumbos y buzamientos de los distintos lechos: contactos entre formaciones; y cualquier hallazgo de aguas de condiciones no ordinarias, tales como filtraciones o fuentes termales. El grado de precisin con que se puede proyectar al nivel del tnel la geologa de la superficie se deja al juicio del gelogo. En terrenos sedimentarios se puede llevar a cabo esta proyeccin con cierta precisin, siempre que los lechos no estn demasiado trastornados por pliegues y fallas. Sin embargo, en los terrenos gneos y metamrficos esta proyeccin es demasiado difcil, por la gran irregularidad de los contactos entre formaciones o tipos de rocas y porque las fallas y pliegues en estos terrenos suelen tener trazas muy irregulares que son imposibles de proyectar con precisin sin una investigacin subterrnea muy completa.

Las rocas y suelos se investigan con calicatas, socavones y sondeos con extraccin de testigos. Si lo permiten las condiciones econmicas, los sondeos deben penetrar hasta el nivel del piso del tnel. En las bocas del tnel en terreno blando, los sondeos deben profundizar lo suficiente bajo el piso para dar la informacin necesaria que permita proyectar racionalmente la entibacin y cimentacin. El socavn o galera piloto probablemente, es el mejor mtodo de exploracin del emplazamiento de un tnel y debe emplearse si el que se ha de construir es de mayor tamao (tales como los de carreteras y ferrocarriles) y las condiciones geolgicas son crticas. Estos socavones deben ser suficientemente grandes para permitir que un hombre pueda entrar v trabajar. Se emplea para la seguridad de los obreros una entibacin temporal construida con madera local. La galera se perfora a mano, barrenando a mano o con martillo neumtico y utilizando explosiones; en este caso se extrae el escombro en carretillas de mano o en vagonetas.

Un recubrimiento potente y una vegetacin cerrada pueden hacer muy difcil la investigacin de roca y tierras para un tnel, sea ste poco o muy profundo. En estos casos pueden localizarse por mtodos de investigacin geofsicos los rasgos ocultos o zonas de fallas, mantos de agua o superficies de las rocas.

Temperatura en los tneles, gradiente geotrmico.- en tneles la temperatura no tiene importancia a menos que este situado a ms de 500 pies bajo la superficie, excepto en el caso de tneles para la conduccin de agua, donde es importante la medida peridica de la temperatura, sea cual sea la profundidad, la reduccin de la temperatura del agua por el efecto de refrigeracin de las rocas que lo rodean, a veces solamente de unos grados, puede producir la formacin de hielo e impedir as el paso del agua.

La temperatura del tnel depende en gran parte del valor del gradiente geotrmico.

Agua y humedad en los tneles.- La construccin del tnel puede cambiar virtualmente el rgimen hidrolgico de un lugar. El rgimen hidrolgico comprende la posicin del agua dentro de las rocas, direccin y velocidad de su movimiento, y cambios, tanto en su posicin como en su movimiento, en el tiempo, con las distintas estaciones del ao u otros factores.

El tnel produce cambios en el redimen hidrolgico de la misma forma que varia las condiciones de los esfuerzos locales.

Las rocas firmes casi sin fisuras como las gneas y algunas areniscas pueden considerarse impermeables, mientras que las rocas fisuradas representan generalmente depsitos excelentes de aguas en algunas rocas como la caliza el agua puede acumularse en las cavernas formadas por la erosin, las fallas anticlinales, sinclinales y otras estructuras pueden tambin acumular agua.

Investigaciones geolgicas ingenieriles.- Durante el planeamiento de las investigaciones deben tenerse en consideracin que la calidad de diseo de ingeniera est directamente relacionado con la calidad de los parmetros geotcnicos obtenidos con la investigacin.

Los tneles son longitudinales situados generalmente a centenares de metros de profundidad lo que hace muy difcil el acceso directo al terreno donde se construir la obra.

Las investigaciones in situ deben superar estas limitaciones porque deben ser los ms adecuados y convenientes con el objeto de pronosticar un modelo geolgico a pesar de incertidumbres que puede surgir.

Los alcances de las investigaciones ser proveer las informaciones para las evaluaciones tcnico y econmico de las alternativas es decir seleccionar las alternativas ms convenientes, proveer los parmetros geotcnicos para un buen diseo, identificar y evaluar los riesgos potenciales, zonas crticas, delimitar donde las informaciones geolgicas son ilimitadas.

La obtencin de datos geotcnicos dignos de confianza es una de las tareas ms difciles por lo que es recomendable una tcnica integral para la evaluacin de las conclusiones geotcnicas del mbito de proyecto.

Fases del proyecto de investigacin.- Principales actividades de ingeniera geolgica

PreliminarPrefactibilidadFactibilidadDefinitivoConstructivo

-Evaluacin en base a datos

Geolgicos

- FotogeologaLevantamientos

geolgicos

Esc. 1: 10000

1: 1000 Sondeos

diamantinasy otros mtodosLevantamientos

geolgicos

Esc. 1: 500

Mapeos geolgicos

Ensayos

Exploracin de campo.- Las fuentes de informacin sobre la estructura de la roca con que suele contar quien proyecta tneles incluyen:

Datos geolgicos existentes con levantamientos y secciones geolgicas, registros de perforacin.

Levantamientos geomtricos especiales y actualizacin de los existentes aplicando la ingeniera geotcnica.

Tneles o socavones excavados con un inters particular.

Tneles y cmaras de prueba.

La informacin obtenida de las fuentes anteriores permite definir con mayor o menor precisin la estructura de la roca con lo cual se puede:

Localizar los sitios de prueba

Correlacionar los datos obtenidos con los datos obtenidos con la estructura geolgica de la masa rocosa

Extrapolar los datos de la prueba a otros sitios y direcciones de ensayo

Para que el levantamiento geomecnico sea completo debe contener la siguiente informacin:

Clasificacin de la roca respecto al material grado y clase de descomposicin y alteracin, descripcin de las zonas homogneas.

Clasificacin de la estructura geolgica, determinacin de la orientacin estadsticamente representativa de las fallas individuales, fracturas principales y fracturas secundarias.

Descripcin del material del relleno de las fracturas que incluya clasificacin, grado de fracturamiento, parmetros de resistencia estimados, distancia entre grietas.

Observaciones respecto al agua, filtraciones y permeabilidad estimada tanto en la roca, como a lo largo de las discontinuidades.

Observaciones complementarias relacionadas con aspectos geotcnicos ligados a una estructura geolgica particular.

Los ensayos para determinar las propiedades mecnicas, estado de esfuerzos, etc., se realizan por medio de perforaciones y dentro de tneles localizados convenientemente y excavados con este propsito.Otras propiedades.- Muchas otras propiedades son importantes para clculos especficos en la ingeniera de Rocas. La dureza de la roca afecta la perforabilidad. Los coeficientes de elasticidad y tensin son bsicos para la ingeniera de represas y presin en tneles. Las propiedades termales-conductibilidad y capacidad calrica y el coeficiente de expansin linear afectan el almacenamiento de fluidos calientes y fros en cavernas y la recuperacin de energa geotermal.

REGISTRO GEOLOGICO DESONDEO

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