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  1. 1. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 14 El verdadero detonante de la cons- trucción de túneles, fue el ferroca- rril, cuya aparición en el primer tercio del siglo XIX, obligó a los ingenieros de entonces al proyecto y ejecución de túneles para poder salvar los obstáculos naturales. Actualmente, tanto la construcción de los ferrocarriles de “Alta Velocidad” como las condiciones específicas de las autopistas y otros tipos de obras, exigen la construcción de túneles a lo largo de su trazado. CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO DE UN TÚNEL El proyecto de un túnel es simi- lar al de cualquier obra a cielo abierto, con las variaciones correspondientes al tipo de sección elegida. Una vez elegidos los puntos entre los cuales ha de construirse un túnel, el diseño de su planta, perfil longitudinal y sección tipo estará en función de: “Topografía aplicada a la excavación de túneles” (1ª parte) El proyecto “Topografía Aplicada a la Excavación de Túneles”, de Patricia Ortega González, alumna de Ingeniería Técnica de Obras Públicas, ha sido el ganador del Primer Premio Bosch 2004-2005, en la categoría de Topografía en Obra. Esta empresa, en cola- boración con la Universidad de Cantabria, ha instaurado estos premios para dar a cono- cer los mejores trabajos de topografía y maquinaria de construcción realizados por los estu- diantes de los dos últimos cursos de Ingeniero de Caminos y último curso de Ingeniero Técnico de Obras Públicas. Hemos considerado de interés publicar un artículo que resume este excelente trabajo. Patricia Ortega González, Ingeniero Técnico de Obras Públicas D esde muy antiguo el hom- bre ha contemplado la construcción de túneles como la alternativa a la necesidad, cada vez mayor, de comunicarse con el mundo que le rodea. Los ejemplos más antiguos de túneles construidos por el hombre se remontan a la civilización egipcia, que construyeron galerías subte- rráneas excavadas en roca para acceder a las tumbas de sus farao- nes. Posteriormente los romanos vieron en este tipo de obras la sali- da al problema de las conduccio- nes de agua y alcantarillado, sien- do los pioneros en la construcción de obras de saneamiento. Avanzando en el tiempo, llegamos a la Edad Media, en donde tan solo se construyeron túneles como vías de salida de emergencia de salida en castillos fortificados, o en los accesos a criptas de monasterios. Fue en tiempos del Imperio Napoleónico cuando se empeza- ron a construir algunos túneles en vías de comunicación, principal- mente en la zona de los Alpes, pero en cualquier caso, de dimen- siones reducidas.
  2. 2. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 15 INSTRUMENTACIÓN ESPECÍFICA DEL REPLANTEO SISTEMAS DE ILUMINACIÓN • DE LOS INSTRUMENTOS Todos los instrumentos utilizados en la topografía subterránea tienen previsto el problema de ilumina- ción de sus elementos de lectura a causa de las nulas o deficientes condiciones de iluminación de una galería subterránea, y por ello van provistos de sistemas de ilumina- ción adaptables a los mismos a fin de contrarrestar este problema • DE LAS GALERÍAS Para poder trabajar dentro de una galería subterránea no siempre será suficiente la iluminación ins- talada en la misma, ya que ésta generalmente es deficiente y no adecuada para realizar las obser- vaciones. Es necesario disponer de focos o sistemas reiluminación fijos o móviles que iluminen las señales de puntería. En muchas ocasiones es factible resolver este problema por medio de linternas portátiles cuyos haces de luz diri- gidos al punto a observar o replan- tear, permiten efectuar las obser- vación con total nitidez. TEODOLITO DE MINA Se pueden conseguir en el mercado una serie de goniómetros o teodoli- tos de mina específicamente diseña- dos para trabajar dentro de galerías subterráneas, cuyo uso queda res- tringido a tareas de topografía mine- ra, ya que todas las tareas de obser- vación y replanteo en un túnel pue- den ser efectuadas con instrumental de tipo convencional, adecuadamen- te estacionado e iluminado. El problema que se presenta al observar dentro de una galería subterránea consiste en el estacio- namiento del instrumental, que no puede en muchos casos efectuar- se sobre puntos situados sobre el eje en rasante de excavación, bien sea debido a la estrechez de las galerías, o a la imposibilidad de estacionar en un eje cubierto por una vía sobre la que circulan vago- netas o sobre el que se mueven palas cargadoras u otro tipo de maquinaria para la saca del escom- bro. De esta manera habrá que señalar los puntos y estacionar de forma atípica, ya sea sobre vigue- tas adosadas a los hastiales de la excavación, sobre barras elevadas o colgando de la bóveda. TEODOLITO GIROSCÓPICO El problema más complicado que se presenta a la hora de trabajar dentro de una galería subterránea es el de la orientación de los tra- bajos con relación a un sistema de referencia, ya que habrá de trans- mitirse la orientación desde el exterior a cielo abierto al fondo de un pozo o a una galería. Con inde- pendencia de los métodos o siste- mas de transmisión de esta orien- tación con instrumental conven- cional, se tiene la posibilidad de utilizar el denominado “Teodolito Giroscópico” o “Inercial” que per- mite de forma directa y puntual la determinación de la dirección del Note Geográfico con un grado de precisión suficiente para la mayo- ría de los trabajos. El principio físico del giróscopo es simple, pero conviene hacer una aclaración. Si se relaciona de forma solidaria un giróscopo sus- pendido de un hilo vertical situado dentro de una carcasa, con un teo- dolito, a ser posible de 1cc de apreciación, por medio de los tor- nillos de coincidencia de éste, siempre se podrá mover la posi- ción del eje de giro del giróscopo, hasta que éste coincida con el cen- tro de una escala de medición, aunque esto no será exactamente posible debido al movimiento de • PLANTA: la conformación de la planta dependerá de las alineacio- nes de entrada y salida así como del estudio geotectónico de la zona que atraviese. La planta será como la de cualquier obra, en recta o en curva, con curvas circulares o clotoides, cumpliendo con las especificacio- nes generales de un proyecto. • PERFIL LONGITUDINAL: la rasan- te será función de los parámetros definitorios del tipo de obra, ya sea la velocidad específica de un vial o ferrocarril, la pendiente máxima de un canal, así como también influirán en su diseño las condiciones de drenaje. • SECCIÓN: inevitablemente de- penderá del estudio geológico del terreno en su aspecto constructivo y de las características de la obra en cuestión, variable según sea una carretera, un ferrocarril, un canal u otras. PLANOS DE PROYECTO DEL REPLANTEO DE UN TÚNEL Las clases de planos que definen el proyecto de la construcción de un túnel, desde el punto de vista topográfico son básicamente la planta general sobre el topógrafo base, el perfil longitudinal y las secciones transversales. • PLANTA GENERAL SOBRE EL TOPÓGRAFO BASE El proyecto de la planta general de un túnel se efectúa como cual- quier otro tipo de obra de ingenie- ría, ya sea su diseño en recta, en curva o por combinación de ambos tipos de alineaciones. • PERFIL LONGITUDINAL El proyecto de la rasante de un túnel habrá de relacionarse con el perfil por montera, es decir, con el longitudinal del terreno a lo largo de todo su trazado.
  3. 3. TOPOGRAFÍA APLICADA A C T U A L I D A D E N L O S C O L E G I O S 16 continua, que se denomina “topo”, surge el problema del direcciona- miento de dicha maquinaria para que su frente de perforación descri- ba en el espacio la trayectoria de proyecto, tanto en planta como en alzado. Para poder efectuar tal direc- cionamiento es para lo que se emplean los emisores láser. La palabra “láser” responde a las siglas “Light Amplifier by Stimulated Emision of Radiation”, que traduci- do al castellano sería “Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Podría definirse como una emisión de intensos rayos de luz monocromática y coherente que se comporta como la luz normal y es por lo tanto afectado por las con- diciones atmosféricas siendo estas alteraciones mínimas cuando se tra- baja a distancias inferiores a los 400 m., tope máximo aconsejable en sus aplicaciones como rayo visible con luz diurna, siendo esta distancia ampliable en la oscuridad. Dentro de las variaciones que cada modelo comercial, de distintas casas constructoras, pueda pre- sentar, en general consiste en un tubo o carcasa con una cabeza que a través de unas pequeñas ventanas u orificios circulares emite el haz de luz. En otras ocasiones dispone de un cordón tubular metalizado y flexible que transmite el rayo producido por el sistema a un determinado punto emisor para hacerlo coin- cidir con el eje de colimación de un taquímetro o un nivel, mate- rializando dicho eje de forma visible y prolongándolo a través del espacio. Las ventanas emisoras se sitúan en los laterales de la carcasa o tubo pudiendo ser dobles o cuádruples, determinando unos ejes ortogona- les cuyo plano es normal al eje lon- gitudinal del tubo, en cuyo extremo superior también puede disponer de ventana emisora. La carcasa emisora posee general- mente un sistema de niveles tubu- lares o esféricos así como de cli- nómetros adosados, los cuales permiten colocar vertical u hori- zontalmente el eje o situarlo con una determinada pendiente. En otras ocasiones la verticalidad se consigue por medio de perpendí- culos de gravedad. La cabeza del instrumento puede tener acoplado un peque- ño motor eléctrico que propor- ciona un movimiento rotatorio a la misma con velocidad regula- ble, lo que permite al rayo emi- tido por la ventana emisora des- cribir un plano horizontal o con una determinada inclinación o pendiente. El haz de luz monocromática emitido suele se de color rojo, lo que permite su visualización en el espacio, y supone en la práctica una materialización del mismo, al poder ser intercepta- do en cualquier punto de su tra- yectoria por medio de una pan- talla, placa de puntería o senso- res fotoeléctricos especiales. Especial mención debe hacerse al hecho de que no sólo se puede utilizar un emisor de láser de forma aislada sino tam- bién acoplarlo a otro instrumen- to topográfico, taquímetros y niveles principalmente. Esto se consigue por medio de oculares y retículos especiales que obli- gan a una exacta coincidencia entre el eje de colimación del instrumento y el eje del rayo, convirtiendo la visual en un rayo materializado y proyectable. De esta forma se consiguen preci- siones en la determinación del rayo, iguales a las del instru- mento al que ha sido acoplado, consiguiendo así crear en el lugar visado, pantalla, pared, roca, etc., una zona casi pun- tual, luminosa y tonalizada. precisión del eje de giróscopo. No obstante, en la escala sí se podrán observar las desviaciones o elon- gaciones del eje de giro del girós- copo con respecto al norte verda- dero o Norte Geográfico. Aunque el teodolito esté en un principio desorientado, siempre es posible por tanteo, seguir la marca del norte del giróscopo, por lo que es conveniente efectuar una orien- tación aproximada previa de la dirección del norte. La precisión en la determinación del Norte Geográfico está en función de la velocidad de rotación del girósco- po, y suele llegar a ser de 60cc en los modernos modelos, específica- mente topográficos, pues puede ser mayor en los modelos compu- tarizados de laboratorio, o en los utilizados en naves espaciales. Por otra parte, el índice de repetibi- lidad de las observaciones realiza- das con un giróscopo, acoplado a un teodolito de 1cc , puede llegar a ser del orden de 6cc , lo que lo con- vierte en un excelente medio para la transferencia indirecta de orienta- ciones, con independencia del aci- mut de ésta. ESTACIONAMIENTOS ESPECIALES Por las mismas razones que obliga- ban a la utilización de los teodolitos de mina estacionables de forma atípi- ca, es necesario en ocasiones efec- tuar el estacionamiento del instru- mental sobre aparejos diversos que permiten, no sólo situar el aparato de forma atípica, sino también y en su caso, posicionarlo con unas determi- nadas coordenadas espaciales. Para ello existen en el mercado una serie de aparejos tales como consolas y plataformas de ajuste, mesas de cen- traje y regletas de centraje o ajuste. EMISORES “LÁSER” Cuando la excavación se realiza por medio de un escudo de perforación
  4. 4. TOPOGRAFÍA APLICADA A C T U A L I D A D E N L O S C O L E G I O S miento, pero harto insuficiente para mayores distancias, según el caso. Además no permite visuales cenitales. Existen en el mercado los denomi- nados visores cenitales de anteojo, los cuales permiten a un taquímetro efectuar transferencia de puntos cenitales, pero teniendo en cuenta que su precisión no supera el valor de 1/5.000, siendo por lo tanto ade- cuado para su utilización a distan- cias muy cortas ya que, a partir de 5 m., el error supera al mm., y ello siempre y cuando no exista desco- rrección, lo que es muy normal en este tipo de plomadas ópticas. Lógicamente se supone al lector conocedor de este tipo de error y la forma de verificarlo. Las precisiones de este tipo de plo- madas ópticas varía desde 1/10.000 hasta las más precisas que pueden llegar a garantizar 1/200.000. En cualquier caso, son los instrumentos más adecuados para esta clase de trabajos, tales como la excavación y traslado de orientación al fondo de un pozo. OCULARES ACODADOS A lo largo de las tareas de replanteo de un túnel, en muchas ocasiones, debido a la angostura de la galería o las características del estaciona- miento que no permite las observa- ciones para una posición normal del operador, es necesaria la utilización de oculares acodados a fin de poder efectuar lecturas cenitales cercanas a la vertical. Estos oculares acodados, no sólo permiten el tipo de lecturas ante- riormente comentadas, sino tam- bién utilizar el taquímetro como plomada cenit-nadir. La precisión de estas visuales cenitales estará en función de la sensibilidad del nivel con el que esté dotado el ins- trumento, o su sistema de auto- matismo vertical. Generalmente los oculares acoda- dos a un taquímetro de aprecia- ción angular 1cc pueden propor- cionar precisiones de la visual del tipo 1/50.000 ó 1/85.000, aunque siempre estarán en función del ins- trumento empleado. La precisión de una puntería vertical depende del instrumento utilizado, llegando a ser incluso de 1/70.000. MIRAS ESPECIALES “INDUSTRIALES” Al efectuar nivelaciones en una galería subterránea, debido a las conocidas causas de trabajar en espacios angostos de poco gálibo, puede ser necesaria la utilización de este tipo de miras del tipo invar. Cuando las características del tra- bajo así lo requieran y que siendo de menor longitud de las conven- cionales, van provistas de regato- nes para su estacionamiento sobre diferentes tipos de señales. PERFILÓMETROS Se designan con este nombre a una serie de instrumentos espe- cialmente diseñados para la obten- ción de los perfiles transversales en una galería de túnel, ya sea ésta revestida o escavada en roca. Este tipo de instrumental, por si mismo o combinado con aparatos convencionales, permiten efectuar rápidos y precisos levantamientos de las secciones transversales de excavación, a fin de comprobar ésta o de evaluar el volumen de tierras excavado. INSTRUMENTACIÓN ESPECIAL PARA EL CONTROL DE DEFORMACIONES A fin de poder determinar con un alto grado de fiabilidad las posi- bles deformaciones que se pueden producir en una galería de túnel, es necesario disponer de instru- mentación específica que permita PLOMADAS “CENIT-NADIR” Para efectuar la transferencia de puntos a lo largo de una visual ver- tical cenit-nadir, tarea por otra parte bastante normal en el replan- teo de plantas de edificios, de pozos y de galerías subterráneas, se tienen varias opciones a la hora de elegir el instrumental. PLOMADAS DE GRAVEDAD (MECÁNICAS) El más grave problema que pre- senta la plomada convencional de gravedad es la oscilación pendular de la misma, tanto mayor cuanto mayor sea la longitud del hilo, cuerda o cable de suspensión. La única forma de paliar en parte el problema consiste en aumentar el peso y amortiguar oscilaciones. Para amortiguar las oscilaciones, se sigue utilizando el viejo sistema de introducir la plomada en una cubeta con aceite mineral. Sin embargo, cualquier corriente de aire por suave que ésta sea va a dar lugar a nuevas oscilaciones o vibraciones del hilo de suspensión por delgado que éste sea. Para trabajos de baja o media pre- cisión sigue siendo el método más barato y utilizado. PLOMADAS ÓPTICAS Cuando la operación de transfe- rencia hacia el cenit o hacia el nadir, esto es hacia arriba o hacia abajo, requiere de alta o muy alta precisión, se está en la obligación de utilizar medios más exactos que el anteriormente reseñado. Conviene aclarar que la plomada óptica de que está dotado un taquímetro standard para su pues- ta en estación sobre trípode no tiene una precisión superior a 1/5.000, que es suficiente para las alturas normales de estaciona-
  5. 5. 18 TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N apoyo, de los puntos concretos de obra, de las referencias de éstos y de los posibles puntos de control. En trabajos de cierta entidad es necesaria la implantación de hitos armados de hormigón con adecua- dos sistemas de estacionamiento que permitan unas observaciones muy precisas. Cuando las características y longi- tud de un túnel lo precisen, es nor- mal la utilización de este tipo de hitos para señalizar los puntos de apoyo del replanteo de la red externa a cielo abierto, ya sean estos puntos pertenecientes a una triangulación o a una poligonal de precisión. Por otra parte, cuando se trabaja dentro de la galería, y con inde- pendencia de los estacionamien- tos atípicos o especiales que se hayan utilizado, es necesario seña- lizar los puntos, sean éstos del tipo que sean, tanto en la bóveda, como en los hastiales o en la rasante de excavación. Para ello es normal la utilización de clavos metálicos incrustados en la roca o en el revestimiento de los hastia- les, que sirvan como referencias planimétrica o altimétricas y de clavos en rasante que generalmen- te y debido a problemas de viali- dad dentro del túnel, han de ser protegidos. MATERIAL VARIO DIVERSO Además de todo el instrumental topográfico convencional de todos conocido y del instrumental espe- cífico anteriormente comentado, para poder efectuar los trabajos de proyecto, observación, replanteo, construcción, evaluación de obra y posible control de deformaciones, es necesario utilizar una amplia gama de material diverso, en muchos casos no estrictamente topográfico, que permita realizar determinado tipo de tareas. Dentro de este apartado de mate- rial diverso, podrían incluirse los siguientes: • TELÉMETROS Un apunte que no debiera pasarse por alto, debido a la gran repercu- sión que su empleo tendría para los trabajos topográficos actuales, es sin duda que los telémetros ópticos debido a su baja precisión hoy en día están prácticamente en desuso. • REGLAS DE MEDICIÓN EXPEDITA Existen en el mercado reglas digi- tales de configuración telescópica retráctil de hasta 8 ó 10 m. de lon- gitud que permiten medir con aceptable precisión longitudes entre elementos de obra a fin de controles someros, cierto tipo de levantamientos y obtención de perfiles. • PRISMAS PENTAGONALES El principio del prisma pentagonal, que permite la obtención de visua- les perpendiculares, es de amplia determinar de forma precisa y segura estas deformaciones. Para ello es necesaria la utilización de una instrumentación específica que permita medir distancias o variaciones de distancia entre pun- tos de control. Con una precisión tal que no de lugar a dudas res- pecto a saber si esas diferencias de valores, posibles deformacio- nes, son tales, o simplemente son consecuencia de los lógicos erro- res de observación. Esta instru- mentación para medida de distan- cias o diferencias de distancias se basa en los hilos invar. Los hilos invar convencionales, uti- lizados desde antiguo para la medida de distancias, fueron en su día el más preciso sistema de medición. Actualmente son utiliza- dos en dispositivos que, con dife- rentes formas de diseño y presen- tación comercial, permiten preci- siones del tipo ± 0,01 ó 0,02 mm SEÑALIZACIÓN DE PUNTOS Uno de los problemas que se pre- sentan a la hora de replantear un túnel es el de la materialización y señalización de los puntos de
  6. 6. 19 utilización en el instrumental auxi- liar en función de la determinación por este sistema de planos per- pendiculares a una cierta visual mediante el giro completo de uno de estos prismas. Este principio, utilizado en la conoci- da “Escuadra de Agrimensor”, será de aplicación en la transferencia de pun- tos y direcciones al fondo de pozos. Cuando se trabaja a distancias muy cortas, menores de la mínima de enfoque que permite un instru- mento convencional, por ejemplo, en tareas de montaje o dentro de galería, es necesario la utilización de estas lentes que permiten efec- tuar el enfoque a distancias muy cortas. • MEDIOS AUXILIARES Para poder señalizar, referenciar, observar, acceder a las señales cuando éstas se encuentran en la bóveda, y otra serie de tareas, es necesario utilizar una serie de materiales o herramientas que per- mitan ejecutar estos trabajos. Así pues y en su caso se pueden rela- cionar una larga serie dentro de la cual se podrían consignar las siguientes: - Elementos para escritura y mar- cado por fricción en las señales. - Elementos varios de señalización. - Tablas, tablones, listones. - Punteros de acero. - Granetes. - Cinceles. - Macetas, mazos, y clavos de acero. - Yeso, cementos, morteros, hor- migones, para el fijado y protec- ción de las señales. - Sistemas de iluminación de galería, como pueden ser focos transportables. - Radioteléfonos. - Torno, para el descendimiento de plomadas o cintas metálicas al fondo de pozos. - Maquinaria de obras públicas, tales como martillos perforadores a fin de incrustar clavos y palas cargadoras para acceder a las señales en bóveda. EL TÚNEL BASE DE “SAN GOTARDO”: TECNOLOGÍA PARA EL FUTURO Alp Transit Gotthard es el nombre de un ambicioso proyecto ferrovia- rio que incluye el túnel ferroviario más largo del mundo, con 57 kiló- metros, que atravesará los Alpes suizos por el interior del macizo de San Gotardo. Los trenes de pasaje- ros viajarán por él a una velocidad de hasta 250 km/h., en un tramo más de la muy exitosa red europea de Alta Velocidad, ofreciendo una considerable reducción del tiempo de viaje. * PROYECTO Con el fin de integrar Suiza en la moderna red ferroviaria hay que construir nuevas líneas aptas para los trenes de Alta Velocidad. El túnel de San Gotardo, que costará alrededor de 7.000 millones de francos suizos, constituye la base para el ferrocarril suizo del futuro. Las conexiones en el transporte internacional existentes entre los nodos de Zurich y Milán resultarán considerablemente más rápidas y ofrecerán una alternativa real al viaje por carretera o avión. Se calcula que cuando el tramo esté acabado circu- larán por él diariamente entre 200 y 220 trenes de mercancías. El túnel de San Gotardo consta de dos túneles de una vía que trans- curren a 40 m. de distancia y que están unidos cada 325 m. por gale- rías de conexión. La construcción del túnel se ha dividido en cinco secciones, cada una con un punto de acceso propio como son los de Erstfeld (boca Norte), Amsteg, Sedrun, Faido y Bodio (boca Sur). El túnel Base de San Gotardo mar- cará la pauta en calidad y seguri- dad gracias a un completo sistema de seguridad. La construcción de dos túneles elimina la posibilidad de choques frontales y los dos pares de túneles de conexión per- miten que los trenes pasen de un túnel a otro, lo que es particular- TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N
  7. 7. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 20 mente importante durante los tra- bajos de mantenimiento. Cada una de las secciones de Sedrun y de Faido incluye una estación multifuncional que ofrece en caso de accidente cuatro espa- cios seguros para los pasajeros y estaciones de emergencia para los trenes. Las galerías de conexión disponen de pasos para cruzar las vías, un sistema de ventilación y una salida al exterior que permita la rápida evacuación en caso de accidente. Esos accesos interme- dios no sólo permiten integrar los dispositivos de seguridad, también hacen posible el trabajo simultá- neo de hasta cuatro tuneladoras, con lo que se consigue reducir a la mitad el tiempo total de la cons- trucción, unos nueve años. La geología y el tipo de rocas de la zona determinan el método de construcción del túnel y por eso los ingenieros crean diferentes per- files para el túnel en función de las rocas que van encontrando. Casi el 90 % del Túnel Base de San Gotardo atraviesa roca apta para ser excavada utillizando tunelado- ras. El resto -la sección de Sedrun y la estación multifuncional de Faido- han de perforarse con explosiones controladas. En gran- des tramos del túnel las condicio- nes son sumamente duras, como en un tramo de 5 km. de longitud con más de 2.000 m. en que las temperaturas de la roca pueden subir hasta los 45 ºC. Esas condi- ciones afectan a los métodos empleados y a la complejidad de todo el proyecto de construcción. SISTEMA DE MEDICIÓN DEL TÚNEL En las profundidades del túnel de Faido, se ha combinado una solu- ción topográfica integrada para el método de perforación y explo- sión. Hasta el momento se han excavado más de 300 m. de esta sección y, debido a la enorme pre- sión de la roca, el túnel se está excavando en dos etapas: primero la parte superior, o frente de ata- que, y después la parte inferior, o berma. Se necesitan unos 450 kg. de explosivos para cada ronda de perforación y el túnel avanza de 1 a 3 m. cada día. El sistema de medición de túneles utilizado per- mite medir automáticamente y replantear los perfiles utilizando taquímetros. El concepto tras el sistema fue identificar las tareas de produc- ción requeridas por el trabajo y automatizarlas de modo que un técnico no especializado en topo- grafía, por ejemplo el capataz del túnel, pudiera realizar el replanteo. Antes, para posicionar con preci- sión los arcos de apoyo del túnel, la cuadrilla tenía que perforar el túnel aproximándose lo más posi- ble al perfil requerido para ajustar en él los arcos. Después los topó- grafos comprobaban el trabajo, fijaban los arcos en el frente y daban las instrucciones para conti- nuar los trabajos. Pero si el frente no había sido perforado con sufi- ciente amplitud respecto al perfil correspondiente, había que retirar los arcos y seguir con la perfora- ción. Si, por el contrario, el perfil era demasiado grande, la cantidad de hormigón proyectado necesario entre los arcos aumentaba consi- derablemente. En ambos casos se incrementaban de modo significa- tivo los costes de la construcción del túnel. Los taquímetros se montan muy arriba en las paredes del túnel y se controlan automáticamente las tareas de medición, por ejemplo alineación, perfil excavado, posi- ción de los arcos o grosor del hor- migón proyectado necesario. Cada taquímetro lleva incorporado un potente software. El topógrafo pre- para e introduce todos los datos del proyecto y la geometría utili- zando un ordenador y luego trans- fiere esa información al taquímetro por medio de una tarjeta antes del comienzo de los trabajos. REPLANTEAR DE MANERA SENCILLA Obviamente, en el sector de la construcción el tiempo es oro y, por eso, en el Túnel Base de San Gotardo se trabaja las veinticuatro horas del día, en turnos de ocho horas con cuadrillas de seis traba- jadores cada uno. Cada cuatro días hay un período de ocho horas que se dedica a las tareas de man- tenimiento de las máquinas. El cambio de turno se efectúa en pocos minutos y en cada cuadrilla hay uno o dos trabajadores que han sido entrenados en el manejo del taquímetro en cuestión, que son responsables de pasar la infor- mación al siguiente turno. El siste- ma utilizado es una gran ayuda para el correcto traspaso de la información y la rápida continua- ción del trabajo puesto que todos los datos del proyecto ya están dis- ponibles en el aparato. El sistema es muy sencillo y a con- tinuación se describe someramen- te. La instalación es efectuada por el topógrafo y después se puede entrenar a los operadores de manera que sepan cuáles son los puntos que deben introducir en el programa. Se prepara la informa- ción básica de la sección y de sus correspondientes puntos de medi- ción. Los trabajadores pueden entonces utilizar solos el instrumen- to sin más asistencia del ingeniero.
  8. 8. Una vez instalado el sistema su manejo es efectuado por personal de la obra que no necesita tener conocimientos específicos de topografía. La principal ventaja de este procedimiento es que no se producen retrasos por no tener que esperar a que llegue el inge- niero. Además, el trabajo realizado por el personal de la excavación es más preciso y productivo, de manera que se optimiza el proceso y se ahorran costes. El capataz de la obra del túnel puede hacer tareas de medición rutinarias en modo de producción, entre ellas las de perforación y explosión, avance convencional, avance del frente, proyección y apantallado de tubos, láser de aline- ación y posicionamiento de arcos. El sistema es muy fácil de usar y la gente que trabaja con él está muy contenta con sus prestaciones. La unidad de control remoto se puede sujetar en la mano, justo delante del cuerpo, pero también se puede comandar por radio. También hay un lugar seguro para el ordenador, a 1.500 m. de dis- tancia de la obra. CONDICIONES ADVERSAS EN FAIDO Aunque antes de empezar los tra- bajos del túnel se habían hecho ensayos geológicos y evaluacio- nes, el verdadero tipo de las rocas presentes no se conoce hasta que comienzan las obras de excava- ción. Ese fue el caso de Faido, donde en abril de 2002 se produ- jo un hundimiento parcial de la bóveda de una conexión transver- sal ocasionando una cavidad de ocho m. de altura. A pesar de la predicción efectuada con la ayuda de perforaciones de sondeo, el avance de la obra se topó con una capa de roca muy inestable formada por Gneis Lucomagno Descompuesto. Eso obligó a modificar los métodos de trabajo y a reforzar la excavación con arcos de acero deformables y un denso sistema de anclaje. Las deformaciones requirieron correcciones en el método de construcción del túnel. Se hacen los dibujos y continuamente se están cambiando los perfiles en función de las condiciones de las rocas que se encuentran. Actual- mente se preparan las coordena- das del perfil informáticamente, lo cual antes era un problema porque había que realizarlo todo a mano y requería bastante tiempo. MEDICIÓN DE LOS PERFILES Otro programa integrante del soft- ware permite medir y controlar perfiles, proporcionando una com- paración exhaustiva entre el dise- ño y los datos actuales de medi- ción y del proyecto. Ahora también se puede determinar la posición precisa en el túnel. Se puede esta- blecer si se está exactamente en la posición correcta para el perfil, mediante la comparación de la dis- tancia medida en el túnel con la teórica y, en caso de desviaciones, hacer de inmediato las correccio- nes. Antes no se tenía esa posibili- dad de control y se estaba obliga- do a volver a medir con una cinta. La medición electrónica de distan- cias, integrada en el software del taquímetro, permite medir cada punto de forma precisa en diez segundos. Cuando se quiere un control exacto también se puede utilizar una función especial del programa con la que se pueden seleccionar puntos individuales. Eso constituye una auténtica nove- dad en la técnica topográfica. VIGILANCIA DE LAS DEFORMACIONES A la vez que avanza la construc- ción del túnel es necesario vigilar las posibles deformaciones del perfil del túnel. El método de per- foración y explosión produce una presión elevada y por eso hay generalmente una diferencia entre la dirección en que se ejerce la fuerza y el punto de control en el frente. Para las tareas de vigilancia se emplean tablillas de puntería blancas con señales amarillas para la reflexión. Se colocan en la parte de arriba del túnel (en tres puntos) y en la parte de abajo (en dos pun- tos). Para vigilar las deformaciones se han instalado hasta el momento más de 300-400 puntos de con- trol. Esos puntos se controlan una o dos veces por semana para obte- ner un registro de los movimien- tos. La mayor deformación medida hasta ahora ha sido de cincuenta cm. Mediante el software se pue- den hacer los cálculos y compro- bar los puntos desde una distancia de 50 a 10 m. En un período de cuatro meses los puntos de con- trol se comprueban dos veces y los puntos fijos, una vez. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 21 “CURSO BÁSICO DE REPLANTEO DE TÚNELES” COLEGIO OFICIAL DE INGENIE- ROS TÉCNICOS EN TOPOGRAFÍA (Madrid-Castilla la Mancha). Antonio Santos Mora, Ingeniero Técnico en Topografía, Profesor Titular de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica en Topografía “CATÁLOGO DE PRODUCTOS BOSCH” INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN INTELIGENTES Bosch, Ideas that Work “REVISTA DE TOPOGRAFÍA LEICA” APUNTES DE LA CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL BASE DE SAN GOTARDO BIBLIOGRAFÍA
  9. 9. 36 TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N como en su fiabilidad. Mientras que a cielo abierto la comproba- ción es fácil, bajo tierra un error no tiene comprobación inmediata y sus consecuencias pueden ser irreparables. TOPOGRAFÍA DE APOYO EXTERNA La topografía de apoyo externa, generalmente consta de los siguientes apartados: • Plano topográfico base. • Red de enlace entre bocas: triangulación, poligonal de preci- sión y nivelación. • Paso de línea por montera (no siempre realizable). • Perfil longitudinal por montera (no siempre realizable). PLANO TOPOGRÁFICO BASE Para poder proyectar un túnel tanto en su diseño planimétrico como altimétrico, ha de disponer- se de un plano topográfico que permita estudiar y determinar las características del mismo. Sobre este plano, el ingeniero proyectista podrá definir en una primera apro- ximación la planta y rasante del túnel. Pero para efectuar este anteproyec- to habrá de conocer las caracterís- ticas geológicas de la zona por donde va a discurrir dicho túnel. Para ello y con independencia de la información geológica general de la zona que un mapa de este tipo pueda proporcionarle, es muy posible que tenga que efectuar sondeos adecuadamente situados que certifiquen y amplíen esa información previa. Estos planos base pueden ser generales de toda la zona de posi- ble afección por el túnel, o parcia- les de determinadas zonas. Los planos generales suelen requerir de escalas del tipo 1/2.000, 1/1.000 o 1/500 con altimetría acorde con la escala. Los planos parciales o de detalle se realizan a escalas del tipo 1/200 y 1/100, y generalmente se realizan en la zona de acceso, esto es, en las boquillas y en los puntos de ata- que de las rampas y los pozos. RED DE ENLACE ENTRE BOCAS La excavación de un túnel es una tarea que sólo puede circunscribir- “Topografía aplicada a la excavación de túneles” (2ª parte) Publicamos la segunda parte de este artículo sobre topografía aplicada a la excavación de túneles, en donde se explica de una manera más pormenorizada las características más singulares del proyecto del túnel de San Gotardo entre Italia y Suiza, de una lon- gitud de 17 km. Patricia Ortega González, Ingeniero Técnico de Obras Públicas TOPOGRAFÍA DE APOYO Al igual que cualquier obra de inge- niería, las tareas de proyecto, replanteo, construcción, medición de obra, y posible control posterior de deformaciones, de túnel, precisa de la implantación y observación de una serie de puntos de diverso tipo, que junto con el plano topográfico base, donde se ha proyectado dicho túnel, se va a denominar de forma genérica “Topografía de Apoyo”. Y ésta, se apoya tanto en la topografía externa, realizada a cielo abierto y en la topografía subterránea, reali- zada bajo tierra. La topografía a cielo abierto no difiere de la que se utiliza en cual- quier tipo de obra, sin embargo, la topografía subterránea, o las labo- res del enlace de ésta con el exte- rior, sí requiere de métodos y téc- nicas de trabajo específicas que difieren bastante de los sistemas normalmente utilizados a cielo abierto. A esto hay que añadirle otro matiz. Los cuidados a tener en cuenta durante las tareas de observación de una y otra habrán de ser estric- tos a fin de conseguir las precisio- nes exigidas, tanto en su enlace
  10. 10. 37 se a la sección de ataque de dicha excavación. Con independencia del método de excavación utiliza- do, dichas tareas son lentas y por ello se induce que lógicamente para conseguir mayor velocidad en ellas es necesario duplicar o multi- plicar estos frentes de excavación. Generalmente la excavación de un túnel se efectúa desde las dos bocas a la vez a fin de duplicar la velocidad de excavación. Lógicamente, ambos frentes de excavación han de encontrarse y coincidir en un determinado punto o perfil del túnel. Para que esto suceda con una cierta exactitud y no se produzcan errores es nece- sario que la labor de replanteo sea precisa y exacta. Por otra parte, para conseguir lo anteriormente expresado, se induce que es abso- lutamente necesario que los pun- tos definitorios de las dos bocas de excavación estén perfectamen- te enlazados, tanto planimétrica como asimétricamente. En ocasiones, a fin de conseguir mayor velocidad en los trabajos de excavación, se aumenta en núme- ro de frentes de ataque, lo que se consigue efectuando pozos o ram- pas auxiliares que permitan acce- der desde la superficie a la rasante proyectada del túnel. Esta red de enlace entre bocas ha de permitir conocer con toda exac- titud las coordenadas espaciales X, Y, Z de los puntos iniciales de la excavación, así como los acimutes de las alineaciones rectas de entra- da y salida. Para ello es necesario relacionarlos, lo cual se consigue por medio de: • Triangulación. • Poligonales de precisión. • Nivelación por alturas. Según la figura, donde se expresa el proyecto de un túnel en planta con alineación recta entre una boca norte punto N y una boca sur punto S, que en su caso pudiera ser una alineación curva cualquie- ra, ambos puntos N y S, así como sus alineaciones de entrada y sali- da (R4, R3, N, R2, R1) ; (R5, R6, S, R7, R8), se enlazan por medio de una triangulación con dos bases medidas en los extremos de la cadena para su comprobación. Modernamente esta triangulación entre bocas es sustituida por una poligonal de precisión, siempre y cuando los condicionantes del túnel, longitud y precisiones del cierre del replanteo por ambas bocas así lo permita. El presente y futuro de este tipo de tareas es la aplicación del G.P.S. Por otra parte, habrá de efectuarse entre ambos puntos una nivela- ción por alturas con la precisión adecuada al caso, de tal manera que se pueda determinar con toda exactitud el desnivel o incremento de cota entre ambos puntos de boquilla N y S, ya que los valores altimétricos de la triangulación o la poligonal no tendrán las precisio- nes requeridas en estos casos. Esta nivelación va a permitir pro- yectar la rasante de la galería y la diferencia de cotas entre dichos puntos. Las precisiones requeridas en estos trabajos previos estarán siempre en función de las caracte- rísticas de la obra. El condicionan- te más a tener en cuenta es la lon- gitud existente entre N y S, bocas de entrada y, por lo tanto, los resultados estarán en función de dicha longitud. Así pues, el desarrollo de estas observaciones de apoyo no será igual para un túnel de unos cientos de metros de longitud que para un túnel de varios kilómetros. Del mismo modo los cuidados a tener en cuenta a lo largo de un replan- teo no serán los mismos para un túnel excavado directamente en roca sin necesidad de revestimien- to, que otro con revestimiento simultáneo a la excavación. Como ejemplo ilustrativo de lo anteriormente comentado se tiene el proyecto del túnel de San Gotardo entre Italia y Suiza, que con una longitud de 17 km. y con- traído en 1973, presenta unas características muy singulares, que se detallan a continuación. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N
  11. 11. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 38 La red de apoyo consta de una triangulación combinada con poli- gonal, es decir, una triangulación trilaterada o triangulateración. Está compuesta de 33 puntos observados, referidos entre si por 231 visuales y 54 distancias. Se efectuaron 126 cierres de triángu- los, con un promedio en los erro- res de cierre de 7cc, efectuándose una compensación en bloque por mínimos cuadrados y obteniéndo- se unas elipses de error en los puntos calculados del orden de 32 mm. de eje mayor. Con este tipo de observaciones y la correspondiente nivelación por alturas se consiguieron unos cie- rres del replanteo de 16 cm. en dirección, 7 cm. en longitud y 5 cm. en cota. Dicho replanteo fue efectuado por poligonales de centrado forzoso, distanciómetros y giróscopos. Paso de línea por montera Mediante la red de apoyo externa, triangulación o poligonal y nivela- ción por alturas, se enlazan los puntos en superficie de inicio del túnel por ambas bocas. Según la figura, supuesto un túnel en recta entre los puntos Boca A y Boca B, con unas alineaciones de entrada M-A y B-N, puntos de los que son conocidas sus coordena- das X, Y, Z en función del enlace realizado por medio de la red de apoyo externa, será fácil calcular el acimut de la alineación recta A- B, referido a los puntos M y N, en función de sus coordenadas. Este acimut entre A y B se calculará en función de las coordenadas de proyecto de ambos puntos. Si se replantean los puntos A y B y desde A con referencia M, se pro- longa la alineación recta M-A-B con el acimut calculado en función de las coordenadas obtenidas por la red de apoyo, en teoría, tendría que llegarse a B. Si se excavase bajo tierra desde A hacia B con dicho acimut, y con la adecuada pendiente en función del desnivel entre ambos puntos, en teoría ten- dría que llegarse al punto B. Ahora bien, la realidad es bien dis- tinta, ya que las coordenadas de los puntos A y B estarán afectadas de unos errores más o menos pequeños que darán lugar a un acimut calculado afectado de un cierto error, por lo que al prolongar dicha alineación A-B, a cielo abier- to, no se llegaría a B, sino que se llegaría a un punto B´ desplazado de B una magnitud lineal transver- sal tal que “e”. Si a cielo abierto, en superficie, se prolongase la alineación A-B a lo largo de unos posibles puntos intermedios E1´- E2´- … - E7´, y se supone dicha prolongación exenta de errores de arrastre, aunque realmente sí se cometerán errores en dicha prolongación, está claro que el acimut O calculado entre A y B está afectado de un error E, cuyo valor será tag E = e/AB, donde “e” es el desplazamiento obtenido y AB es la distancia entre los puntos en cuestión. Pero también es obvio, que si se quiere replantear este túnel en recta con toda preci- sión, a de chequearse el acimut elegido para prolongar la excava- ción, y tener plena certeza de que manteniendo una determinada orientación acimutal de la recta M- A, se llega al otro extremo de la misma, punto B. En un principio, y con indepen- dencia de los posibles errores en la prolongación de la alineación recta A-B, se puede efectuar una primera rectificación del acimut calculado, merced al valor del ángulo E anteriormente calculado. La operación anteriormente descri- ta es lo que se denomina el “Paso de Línea por Montera”, que a fin de cuentas es una comprobación a cielo abierto del replanteo. Si con el acimut previamente calcu- lado y corregido del error E, se vuel- ve a prolongar la alineación recta A- B, se llega a B con un desplaza- miento “e´” menor que el anterior, lo que permitirá efectuar el cálculo de un nuevo error. Repitiendo esta operación las veces necesarias se llega a obtener el acimut de la direc- ción de la recta A-B que exactamen- te cumple con el condicionamiento de enlazar en recta A con B, con independencia de las coordenadas atribuidas a A y B. Está claro que una vez conseguido esto, a cielo abierto, si posterior- mente se efectúa una excavación subterránea entre A y B con la dirección ajustada y corregida a cielo abierto, y se da a dicha exca- vación la adecuada pendiente, lo mismo que en superficie se ha lle- gado exactamente a B, también se conseguirá prolongando la alinea- ción recta bajo tierra. Conviene resaltar que se ha consi- derado la prolongación de la aline- ación exenta de errores, lo que no es cierto, por lo tanto se ha de tener en cuenta dicho factor a la hora de evaluar a priori el posible error de llegada “e”. El conseguir un exacto valor de la pendiente de la rasante del túnel está en función de la precisión de la nivelación que se realice entre ambas bocas. Este paso de línea por montera, o en su caso, un replanteo previo
  12. 12. por montera, no es siempre facti- ble, pues estará condicionado por las características del terreno en superficie. No obstante, siempre que ello sea posible, es aconsejable efectuar este paso de línea o comprobación de línea por montera, que puede evitar o paliar los errores de cierre del replaneo al realizar éste por dos frentes de excavación que en teoría han de ser coincidentes. Perfil longitudinal por montera En ocasiones, en túneles de gran longitud, o cuando se precisa de una mayor velocidad de perfora- ción, es necesario, tal y como se ha comentado en un apartado anterior, duplicar o multiplicar los frentes de excavación y para ello es preciso la excavación de pozos o rampas de acceso a la rasante de excavación desde uno o varios puntos de la superficie. Para ello es necesario conocer el perfil del terreno en superficie, o lo que es lo mismo, el perfil de montera, definiendo como montera la inter- sección del plano vertical de la planta del túnel con el terreno. Cuando el túnel es en recta, el mismo paso de línea por montera delimitará ese perfil por montera. Cuando no sea así, es necesario replanear el túnel o parte del mismo a cielo abierto a fin de pro- yectar estos pozos o rampas. Es obvio decir que en cualquier caso este perfil puede conocerse a partir del plano base, y que tan sólo es necesario replantear en superficie el punto elegido para iniciar el pozo o la rampa, lo que habrá de ejecutarse con sumo cui- dado para una vez nivelado, poder determinar con toda exactitud la profundidad del pozo o la direc- ción espacial de la rampa, la cual permita acceder al punto del túnel proyectado. En la figura se puede apreciar un túnel en recta, con su paso de línea por montera. El perfil longitu- dinal por montera se obtendría a cielo abierto a lo largo de las esta- ciones, N, R3, R4,..., R5, R6, S. Este perfil por montera adecuada- mente señalizado, replanteado y observado permite proyectar un pozo o rampa desde la superficie a la rasante de excavación proyectada. Parece conveniente poner de mani- fiesto lo siguiente. Si al perforar un túnel desde dos boquillas de ata- que, el acimut de las direcciones de perforación no es coincidente, se producirá un error de cierre transversal. Por otra parte, si las pendientes de estas direcciones de perforación no son coinciden- tes en el punto previsto para su encuentro, se producirá un error de cierre en cota vertical. Estos errores, por supuesto, siempre van a producirse pero serán admisibles hasta unos ciertos límites de tole- rancia, fuera de los cuales sus con- secuencias serán irreparables, dando lugar a la típica anécdota del error de cruce, que suele comentarse en estas obras. En vista de la figura, supuesto un túnel en recta W-E con pendiente recta continua, puede darse el caso que de forma realzada se expresa, donde un error en acimut da lugar al cruce de la gale- rías excavadas en el teóri- co perfil de encuentro o cale. Por otra parte, un error en el cálculo de la pendiente de la rasante o en la determinación de la cota de W y E da lugar al cruce en el plano vertical de las galerías excavadas. CÁLCULO DEL REPLANTEO DE UN TÚNEL El diseño de la planta y el alzado de un túnel, con independencia del técnico que la efectúe, siempre en función de una serie de condi- cionamientos de todo tipo, se rea- liza siguiendo los mismos proce- sos que si la obra fuese a cielo abierto. Pero el gran problema que presentan este tipo de obras es que su construcción ha de realizar- se bajo tierra. En superficie, a cielo abierto, es más fácil controlar el replanteo de una obra, y se pueden efec- tuar rectificaciones, pero en una galería subterránea es muchísimo más difícil, de tal manera que un error en el replanteo puede en su caso no se detectado hasta el momento del cale, cuando la rec- tificación de un posible error ya no puede efectuarse. Por otra parte, se está en la obliga- ción de trabajar en condiciones difíciles ya sea por la angostura de las galerías, por el polvo, la hume- dad, el agua, y otros factores que obligarán a estacionar de forma atípica y a efectuar el replanteo combinando distintos métodos o sistemas, que permitan obtener un cierto índice de fiabilidad y preci- sión en los trabajos. El cálculo del replanteo de un túnel o de una galería subterránea no tendrá mayor problema que si la obra fuese a cielo abierto. No obstante, habrán de aplicarse los métodos más adecuados al caso, en función de los condicionamien- tos constructivos, que anterior- mente ya han sido comentados. TOPOGRAFÍA APLICADA A R T Í C U L O S D E O P I N I Ó N 39

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