Métodos Constructivos de Túneles: Análisis Comparativo y Mejores Prácticas

Métodos Constructivos de Túneles

Existen diversos métodos para la construcción de túneles, cada uno con sus propias ventajas y desventajas según las condiciones del terreno y las necesidades del proyecto. A continuación, se describen algunos de los más utilizados:

1. Método Convencional (NATM)

El Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM, por sus siglas en inglés) es un método versátil que se adapta a una gran variedad de condiciones geológicas y dimensiones del túnel. Se caracteriza por:

• Reconocimiento más fácil del terreno.
• Amplia variedad de secuencias constructivas.

1.1 Excavación en Roca Dura

En roca dura, se utiliza la técnica de perforación y voladura (Drill and Blast), empleando maquinaria especializada como jumbos, equipos de carguío, camiones, elevadores y equipos de protección personal.

1.1.1 Método de Perforación y Voladura (Drill and Blast)

El proceso de perforación y voladura se divide en las siguientes etapas:

1. Inicio del turno.
2. Perforación.
3. Carga de explosivos.
4. Voladura.
5. Ventilación de humos y gases.
6. Acuñadura o saneamiento.
7. Cargío y transporte de la marina (descombro).
8. Colocación de soporte (sostenimiento).
9. Salida del turno.

Elementos de la Voladura:

• Cebo: Cartucho de dinamita que inicia la detonación.
• Carga de columna (explosivo): Explosivo principal que realiza la fragmentación de la roca.
• Taco: Sello obturador para confinar el explosivo y evitar la salida de gases.

Ventilación: Es crucial para evacuar los gases tóxicos generados durante la voladura.

Elementos de Soporte:

1. Pernos de acero: Proporcionan soporte por fricción, anclaje mecánico o una combinación de ambos.
2. Hormigón proyectado: Se aplica sobre la superficie excavada para crear un revestimiento protector. Puede ser prefabricado, colado in situ o en forma de dovelas.
3. Mallas: Hechas de fibras metálicas o sintéticas, se utilizan para controlar la caída de rocas y mejorar la estabilidad del terreno. Pueden ser de perfil, reticuladas o tipo TH (hormigón reforzado con fibras).
4. Marcos de acero: Brindan soporte estructural adicional en áreas de mayor presión o debilidad.
5. Revestimiento: Capa final que proporciona impermeabilidad, durabilidad y estética al túnel.
6. Acero estructural: Se utiliza en casos de grandes luces o condiciones geológicas muy complejas.

1.2 Excavación en Rocas Blandas o Zonas de Falla

En rocas blandas o zonas de falla, se emplean retroexcavadoras, picadores y rozadoras para la excavación. Es común el uso de un carro encofrado para la instalación del revestimiento secundario de hormigón colado.

2. Método NATM (Nuevo Método Austriaco de Tunelización)

El NATM se basa en el principio de que el subsuelo puede participar en la función de sostenimiento de la cavidad. Esto se logra permitiendo que el subsuelo se deforme de manera controlada, activando su resistencia al corte. Para ello, es fundamental la instalación oportuna del soporte primario.

• Soporte rígido: Puede generar grandes presiones y rotura del soporte si no se controla adecuadamente la deformación del terreno.
• Soporte flexible: Se adapta mejor a las deformaciones del terreno, resultando más económico y seguro. Permite que la roca colabore en el sostenimiento de la cavidad.

Método Marchiavanti o Paraguas: Consiste en la instalación de pernos de acero en el frente de excavación para crear un efecto de"paragua" que protege la excavación y permite avanzar de forma segura.

2.1 Soporte en el NATM

• Soporte primario: Revestimiento de hormigón proyectado, pernos de acero, malla de acero soldada, fibras, marcos de acero. Su función es proporcionar un soporte inmediato al terreno excavado.
• Soporte definitivo: Cáscara de hormigón moldeado que se diseña en función de los requerimientos de estabilidad, durabilidad, resistencia al fuego, impermeabilidad y ventilación.

2.2 Técnicas Especiales en el NATM

• Paraguas de tubos de acero de gran diámetro: Proveen sostenimiento temporal anticipado, evitando la sobre-excavación y posibles colapsos.
• Excavación bajo aire comprimido: Se utiliza bajo la napa freática en suelos inestables para prevenir la necesidad de depresión del nivel freático.
• Pilotes de Jet Grouting: Columnas de suelo mejorado que cumplen la función de los paraguas de acero.
• Inyecciones anticipadas del suelo:
  • De consolidación: Rigidizan el suelo y aumentan su capacidad portante.
  • De compensación: Compensan la pérdida de volumen del suelo causada por la excavación.
  • De impermeabilización: Sellan los poros del suelo para evitar el ingreso de agua a la cavidad.
• Congelamiento del suelo: Se utilizan soluciones salinas líquidas a baja temperatura para congelar el terreno y darle estabilidad temporal durante la excavación.

2.3 Métodos de Excavación en el NATM

1. Sistema bóveda-banco y contrabóveda: Se deja una especie de"dient" en la parte superior de la bóveda para garantizar la estabilidad durante la excavación de la contrabóveda.
2. Sistema de frente completo con núcleo de soporte: Se excava toda la sección del túnel y se coloca un núcleo de soporte central para garantizar la estabilidad.
3. Sistemas con refuerzos del frente (pernos): Se colocan pernos de acero en el frente de excavación para reforzar el terreno y permitir la colocación del soporte definitivo.
4. Sistema con túnel piloto: Se excava un túnel piloto de menor diámetro para obtener información geológica del terreno y optimizar el diseño del túnel principal.
5. Sistemas de subdivisión del frente: Se divide el frente de excavación en secciones más pequeñas para facilitar la excavación y el sostenimiento. La secuencia de excavación puede ser alterna, iniciando arriba o de izquierda a derecha.
6. Sistemas de soporte anticipado del frente/techo: Se colocan barreras o elementos de soporte (como el sistema de paraguas) antes de la excavación para minimizar las deformaciones del terreno.

3. Otros Métodos Constructivos

• Cinta con lantilo: Sistema de encofrado deslizante que permite la construcción continua del revestimiento de hormigón.
• Sumergidos o flotantes: Se construyen secciones del túnel en tierra, se trasladan flotando hasta su ubicación final y se hunden en una zanja previamente dragada. Finalmente, se anclan al fondo marino.
• Hinchados o Jacked: Se excava una sección cuadrada o circular en el terreno y se introduce una tubería de acero. Posteriormente, se hincha la tubería con gatos hidráulicos para que se expanda y se adapte a la forma del túnel. Finalmente, se rellena el espacio entre la tubería y el terreno con hormigón.

4. Método Convencional vs. Método Mecanizado (TBM)

El método mecanizado de túneles (TBM, por sus siglas en inglés) utiliza una máquina tuneladora (TBM) para la excavación y el sostenimiento del túnel. A continuación, se presenta una comparación entre el método convencional y el método mecanizado:

5. Elementos de Sostenimiento Avanzados

• Anclajes pasivos: No tienen ningún tipo de fricción y se mantienen en su lugar por la presión del terreno. Solo se mueven si el suelo se mueve.
• Anclajes activos: Tienen una cabeza que se expande en la punta, lo que permite tensar la barra y controlar el movimiento del terreno.
• Slots LSC de amortiguación Squeezing: Amortiguan las deformaciones del terreno y reducen las cargas sobre el soporte del túnel.
• Strapas de malla Rock Burst: Mallas superpuestas con tramas de agarre que controlan la proyección de rocas en caso de estallido de roca.
• Dovelas de hormigón prefabricado: Se utilizan en el interior del escudo de la tuneladora y como apoyo para los gatos hidráulicos.