Autor: Ing. Andres Moreno Fernández Fecha: inexistente

1. soce. 35'
Indice
Resumen, 3
Introducción, 4
1. Construcción de lumbreras en suelos, 6
Fallas, 8
Rehabilitación, 11
Lumbreras flotadas, 13
Lumbreras de grandes dimensiones, 16
2. Construcción de túneles sin utilizar escudo, 19
3. Construcción de túneles utilizando escudos abiertos, 26
En suelos firmes, 26
En suelos blandos, 31
4. Construcción de túneles utilizando escudos excavadores, 35
Primeras experiencias, 35
Diseño conceptual, 37
Escudo prototipo, 40
Aplicaciones y nuevos diseños, 40
Otras experiencias, 47
Conclusiones y recomendaciones, 50
Bibliografía, 52
2

2. Introducción
La ingeniería de túneles y obras subterráneas de nuestro país ha
tenido un desarrollo notable en los últimos veinticinco años, como
consecuencia del ya muy sólido y sistemático avance de la
ingeniería mexicana desde 1930.
Los esfuerzos sostenidos de instituciones, empresas, personas han
permitido cristalizar experiencias innovadoras obra del talento,
del saber, del profesionalismo de innumerables ingenieros,
constructores, investigadores, profesores; del trabajo y de la
dedicación de multitud de técnicos, empleados, obreros; del impulso
y del entusiasmo de muchos empresarios, funcionarios, autoridades.
En este trabajo de ingreso a la Academia Mexicana de Ingeniería, se
describen y reseñan experiencias en la construcción de lumbreras y
túneles en suelos que, además de ser recientes, destacan entre
aquéllas que han sido incorporadas a la práctica de la ingeniería
de túneles y obras subterráneas de nuestro país.
Las experiencias descritas corresponden a:
la construcción de lumbreras en suelos;
la construcción de túneles sin utilizar escudo;
4

3. 5
la construcción de túneles mediante escudos abiertos, y
la construcción de túneles utilizando escudos excavadores.
Se reseñan, principalmente, experiencias en las que el autor ha
tenido la fortuna de participar como constructor, como funcionario,
o como supervisor. Se abordan algunos problemas constructivos y,
eventualmente, aspectos relacionados con el diseño de las obras.
Determinan la importancia y el carácter innovador de tales
experiencias:
la necesidad imperiosa de resolver serios problemas de drenaje
y transporte en la ciudad de México, y
la capacidad para enfrentar y resolver problemas nuevos, que
implica el desarrollo alcanzado por la mecánica de suelos y la
industria de la construcción de nuestro país.
Esa capacidad innovadora es producto del conocimiento, del ingenio
y de la adopción responsable de tecnologías diversas, adaptándolas
para satisfacer necesidades específicas.
Las obras subterráneas del Sistema de Drenaje Profundo y del Metro
de la ciudad de México, por su magnitud y por las características
tan variadas y peculiares del subsuelo, han sido grandes retos y,
además, semilleros de experiencias trascendentes. A dichas obras
corresponden los casos reseñados en este trabajo.

4. 1. Construcción de lumbreras en suelos
La construcción de una lumbrera es, normalmente, una obra de
bastante importancia. Implica el respeto puntual de programas y
procedimientos, y una supervisión eficaz y escrupulosa de las
distintas actividades constructivas. Obliga, en suma, a desarrollar
un trabajo ingenieril cuidadoso, que incluye la planeación y el
diseño previos, y la implantación de normas de seguridad estrictas.
En 1967, la construcción de lumbreras, de 30 ni de profundidad y 9 ni
de diámetro, en los suelos blandos arcillosos de la Zona de
Transición y de la Zona del Lago del subsuelo de la ciudad de
México no tenía precedentes nacionales; pero sí se conocían algunas
experiencias extranjeras, más o menos similares, y las técnicas
utilizables.
La primera etapa del Sistema de Drenaje Profundo de la Ciudad,
desarrollada entre 1967 y 1975, comprendió la construcción de 67.9
kilómetros de túneles. (Ver figura 1.)
En ese lapso, se construyeron más de 40 lumbreras. Siete, con las
características y bajo las condiciones antes señaladas, fueron
construidas colando, in situ, muros de concreto armado.

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Figura 1. Sistema de Drenaje Profundo de la ciudad de México.
Primera etapa. 1967-1975
VA

6. e
e
11
e
e
Tres de esas lumbreras fueron construidas con técnica mexicana
e
(Soluni); dos con técnica francesa (Soletanche), y otras dos con
técnica italiana (Icos). Los procedimientos son bastante parecidos:
e
las excavaciones se realizan por sectores y se estabilizan con lodo
bentonítico; después, con un tubo "tremie" se cuelan los muros;
luego, se excava el núcleo y, al final, se cuela el fondo de la
e
lumbrera.
e
e
La construcción de esas siete lumbreras culniinó con éxito; pero no
e
estuvo exenta de dificultades y serios problemas. Se presentaron
e
dos fallas, en lumbreras ubicadas en plena Zona del Lago. Fue
e
necesario rehabilitarlas.
e
e a) Fallas
e
e Teóricamente, en la construcción de lumbreras en suelos blandos,
e
las fallas pueden ser de dos tipos: por extrusión (flujo plástico)
e
del suelo a través de las juntas entre los muros de ademe, o por
e
falla del suelo en el fondo de la excavación.
e
e
Las fallas que a continuación se reseñan, ocurrieron en la Lumbrera
e
6 y en la Lumbrera 7 del Interceptor Oriente. (Ver figura 1.) En
r ambos casos hubo extrusión de la arcilla por una de las juntas
L
e
entre los muros, durante la excavación del núcleo de la lumbrera.
e
Las condiciones estratigráficas del subsuelo eran muy similares y
e
típicas de la Zona del Lago; la geometría y dimensiones de las
e

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Figura 2. Lumbrera 6, Interceptor Oriente
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E E
ID
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Figura 3. Lumbrera 7, Interceptor Oriente

8. lo
lumbreras también eran similares, y la profundidad a la que se
presentaron las fallas fue casi igual. (Ver figuras 2 y 3.)
La Lumbrera 6 se proyectó como una estructura cilíndrica de 9 ni de
diámetro interior, 32.5 ni de profundidad y muros de 0.6 ni de
espesor, de concreto armado, colado por sextantes, en trincheras
previamente excavadas y estabilizadas con lodo bentonítico.
El subsuelo tuvo el siguiente perfil: Estrato Superficial, hasta
los 5.0 ni de profundidad; Formación Arcillosa Superior, desde 5.0
hasta 32.5 ni; Capa Dura, desde 32.5 hasta 35.3 ni, y la Formación
Arcillosa Inferior, desde 35.3 hasta 45.5 ni. (Ver figura 2.)
La lumbrera llegaba a la Capa Dura. La cohesión de la arcilla fue
de 2.0 ton/ni2 , en promedio, y su contenido de agua de 392 %
(promedio), con un máximo de 597 %. El peso volumétrico promedio
del suelo fue de 1.28 ton/m 3 .
El método constructivo corresponde a la técnica mexicana.
La falla, catastrófica, se presentó cuando se estaba excavando el
núcleo, a los 19.5 ni de profundidad. A través de una junta, y
provocando la rotura (desde los 14.0 m de profundidad) de los muros
adyacentes, penetraron a la lumbrera 250 ? de arcilla. El
nivel del suelo en el interior subió hasta los 15 ni de profundidad.

9. 11
Simultáneamente, en la superficie se fornió una depresión junto a la
estructura, con un diámetro similar al de la lumbrera y un
desplazamiento vertical de 4 m. (Ver figra 2.)
En la Lumbrera 7 (también cilíndrica, de 9 ni de diámetro, con muros
de 0.6 m de espesor; pero de 30 ni de profundidad), se aplicó el
mismo procedimiento constructivo.
El perfil del subsuelo se muestra en la figura 3.
La lumbrera apenas llegaba a la parte superior de la Capa Dura. La
arcilla tenía una cohesión de 2.4 tan/ni2 , en promedio, y un
contenido de agua de 309 % (promedio), con máximo de 567 %. El peso
volumétrico promedio del suelo era de 1.28 ton/m 3 .
La falla ocurrió cuando la excavación del núcleo llegó a los 20 m
de profundidad. A través de una de las juntas, penetraron a la
lumbrera 30 ni 3 de arcilla. La depresión superficial provocada
fue de 0.5 ni. (Ver figura 3.)
b) Rehabilitación
La Lumbrera 6, y la depresión provocada por la falla, fueron
rellenadas con tierra hasta restablecer el nivel original del
terreno.

10. Después, se construyó una nueva lumbrera, concéntrica, alrededor de
la fallada. La separación anular entre ambas fue de 0.7 ni. Se
utilizó, básicamente, el mismo método constructivo (excavando y
colando los muros por sextantes, y con espesor de 0.6 ni). Pero las
nuevas juntas se ubicaron al centro de los anteriores muros y, para
formarlas, se utilizaron tubos de 0.6 ni de diámetro, logrando
uniones machihembradas con superficies cilíndricas de sección
semicircular. Estas uniones eran lavadas con agua a presión y
retacadas con mortero, a todo lo largo, por el conducto para
inyección previsto, desde el colado, al centro de la junta.
Además, la excavación y el colado de los muros se hicieron hasta
alcanzar una profundidad de 42 ni, penetrando la Capa Dura y
llegando a la Formación Arcillosa Inferior. (Ver figura 2.)
Con inclinóinetros y mediante nivelaciones se observó el
comportamiento del terreno circundante, mientras se rehabilitaba la
obra.
Cuando se estaba excavando el núcleo a la profundidad de 28.5
metros, los inclinómetros detectaron un movimiento ndicativo de
una nueva faila. Fue necesario inundar la lumbrera para prevenir un
problema mayor. La excavación final, entre los 28.5 y los 32.5 m, y
el colado de la losa de concreto armado del fondo, se realizaron
bajo el agua. (Ver figura 2.)
e

11. 13
Al presentarse la falla en la Lumbrera 7, se procedió a inundarla.
Con almeja, se reanudó la excavación hasta alcanzar la profundidad
proyectada. Luego, se sumergió una ciiubra de madera para colar un
muro interior con una losa en el fondo. (Ver figura 3.)
c) Lumbreras flotadas
En 1969, los ingenieros Jorge Cravioto y Abel Villarreal patentaron
el método para construir lumbreras por flotación. Este ingenioso
invento eliminó las posibilidades de falla, tanto por extrusión en
juntas, como la del fondo de la excavación.
Las distintas etapas del procedimiento constructivo se ilustran en
la figura 4 y comprenden lo siguiente:
1. Construir un brocal de concreto armado, formado por dos coronas
concéntricas que permiten excavar, con precisión, una trinchera
poligonal (generalmente regular) de 10, 12, o más lados. En los
vértices se hacen, con máquina y hasta la profundidad de desplante
de la lumbrera, perforaciones de 45 cm de diámetro. (Figura 4a.)
(Actualmente, la trinchera se construye circular.)
2. Las perforaciones (circulares) se mantienen llenas con lodo
bentonítico. Con almeja (guiada, preferiblemente), se excava hasta

12. e
e 14
e
el fondo el suelo entre dos perforaciones, por tramos alternados y
e ademando, desde el principio, con lodo bentonítico, hasta concluir
e la excavación anular. (Figura 4b.)
e
e
e
e
e l-
e
e
e
e
e
Demoler la corona interior del brocal y excavar, con almeja, el
núcleo de la lumbrera. La estabilidad de la excavación se logra
manteniéndola siempre llena con bentonita recirculada y sometida,
continuamente, a un control de densidad muy riguroso. (Figura 4c.)
Colocar en la parte superior de la excavación una estructura de
acero con forma de tanque cilíndrico invertido, que funciona como
cámara de aire y base para la construcción de la lumbrera. Armar y
colar la losa de fondo y un primer tramo de muro, sujetando el
conjunto, y manteniéndolo nivelado, mediante unas viguetas de acero
unidas al brocal. Después del fraguado se descimbra y, luego, se
inyecta aire al tanque (desplazando bentonita de la excavación)
hasta que el conjunto flote. Entonces, se le separa de las viguetas
y, controlando verticalidad y nivel por medio de plumas con
malacate (distribuidas perinietralmente), se sumerge lo construido
(al extraer aire), hasta que queda en posición adecuada para ser
sujetado, nuevamente, por las viguetas del brocal. (Figura 4d.)
Los ciclos de colado de tramos adicionales e inmersión del conjunto
flotante se repiten, hasta alcanzar la profundidad proyectada.
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o
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13. 15
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SOSTEN TACIO
DETALLE VI9(JETA DE SUSTEJI
DE
(EN TO
Figura 4. Lumbrera flotada.
Procedimiento constructivo

14. 16
Cuando el empuje de flotación tiende a ser mayor que el peso del
conjunto ya construido, la estructura se lastra con el volumen de
agua necesario para poder seguir aplicando el método. (Figura 4e.)
Finalmente, se inyecta, de abajo hacia arriba, un mortero que
substituya a la bentonita remanente en el tanque y en el espacio
entre el muro de la lumbrera y las paredes de la excavación, y se
extrae el lastre. (Figura 4f.)
Este método ha permitido construir, con seguridad y eficiencia, más
de 20 lumbreras en las arcillas blandas de la ciudad de México. Las
dimensiones máximas han sido: 19 metros, en diámetro, y 30 metros,
en profundidad. Los lapsos constructivos han variado entre 4 y 6
meses.
d) Lumbreras de grandes dimensiones
Excavadas a cielo abierto, en suelos de la Zona de Transición, han
sido construidas, por ejemplo:
Las lumbreras Oa y ob (10 m de diámetro libre; profundidad a la
rasante hidráulica del túnel: 47 m), para alojar las compuertas y
los cárcamos de los interceptores Oriente y Central, antes de su
unión con el Emisor. (Primera etapa del Drenaje Profundo.)

15. zc, c
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a
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1560m
Li-
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Figura 5. Lumbreras para accesos, estación Camarones del Metro.
Excavación del núcleo y la zanja perimetral
17

16. Las lumbreras para los accesos oriente y poniente de la estación
Camarones de la Línea 7 del Metro de la ciudad de México (22.80 m
de diámetro; 30.20 itt de profundidad), donde la excavación se hizo
por etapas y utilizando un sistema de pozos de bombeo para abatir
el nivel de las aguas superficiales. (Ver figura 5. En la 6, se
muestra la disposición de una lumbrera de acceso a la estación.)
De importancia semejante, con dimensiones un poco menores, son las
lumbreras de acceso de las estaciones Aquiles Serdán y Refinería,
en la misma Línea.
Figura 6. Disposición de una lumbrera de acceso.
Estación Camarones de la Línea 7 del Metro

17. 2. Construcción de túneles sin utilizar escudo
Las experiencias de la ingeniería mexicana en la construcción, sin
escudo, de túneles en suelos son numerosas. Esta especialidad se
domina bastante bien y no es, normalmente, un campo propicio para
la innovación. Sin embargo, ésta se ha dado y, como en los casos
que aquí se reseñan, ha sido trascendente.
a) Durante la construcción del túnel del Emisor Central, entre la
Lumbrera 8 y la originalmente proyectada Lumbrera 9, después de
atravesar sin problemas mayores los materiales típicos de la
Formación Tarango, a una profundidad de 105 m, se empezó a excavar
en materiales de aluvión del valle de Tepotzotlán. Entonces
empezaron a tenerse serias dificultades en el frente de la
excavación.
Bajo el nivel freático, el subsuelo, caracterizado por la presencia
de arenas limosas y limos arenosos con intercalación de acuíferos
potentes en arena suelta y de compactación media, aportó gastos
considerables. El consecuente arrastre de materiales arenosos causó
la falla (caído) del frente, en diciembre de 1971. La obra, en ese
tramo, fue suspendida mientras se hacían estudios exploratorios
adicionales del subsuelo (refracción geosísmica y sondeos).
19

18. 20
Esos estudios llevaron, en síntesis, a las siguientes conclusiones:
1) desviar el trazo del túnel hacia el poniente, ya que las
condiciones de estabilidad del subsuelo serían mejores y, además,
se evitarían los efectos indeseables de los asentamientos inducidos
en la superficie (del orden de 30 cm, según cálculos), y que
dañarían a las construcciones de Tepotzotlán (sobre todo, a la
iglesia y al convento que alojan al Museo Nacional del Virreinato),
y 2) construir una nueva lumbrera alterna (la 9A), en las faldas de
la serranía de Tepotzotlán.
Así, se reinició la construcción del túnel, desviándolo 100 m antes
del derrumbe y taponando el tramo abandonado.
Los problemas, aunque un poco menos graves, persistieron. El avance
promedio era de 0.5 m/día; ingresaban en el frente gastos del orden
de 250 l/s; las filtraciones arrastraban materiales arenosos,
formándose en el frente de la excavación cavidades tubificadas.
Abatir el nivel freático ya había dado buenos resultados durante la
construcción de dos tramos de túnel, en los interceptores Central y
Oriente (aunque en ambos casos la excavación se había realizado con
escudo). Se llegó a la conclusión , de que sería conveniente recurrir
a este procedimiento auxiliar, descartando otras opciones también
analizadas (inyecciones para impermeabilizar y consolidar la zona
de ataque, o recurrir a la excavación mediante escudo).

19. 21
Las líneas de bombeo fueron instrumentadas con piezómetros. Se
perforaron pozos de 30 pulgadas de diámetro y 150 ni de profundidad,
espaciados al tresbolillo (en dos líneas paralelas, distantes 10 m
a cada lado del eje del túnel, con separación promedio de 30 m).
Se utilizaron bombas sumergibles, con capacidades de 30 a 80 1/s.
El ademe tuvo 14 pulgadas de diámetro, siendo permeable entre los
79 y los 133 m de profundidad. El módulo de bombeo abarcó adelante
del frente 120 m y, atrás, la distancia necesaria (máxima: 200 ni).
El gasto promedio en superficie, producto del bombeo, fue superior
a los 300 l/s, siendo de 450 l/s el máximo registrado. El gasto en
el frente de la excavación se logró abatir, desde los 250 l/s
originales, hasta 35 l/s al reanudar el avance (diciembre de 1973),
y hasta sólo 5 l/s tres meses después.
Los avances en la excavación se pudieron incrementar a 3 y, algunas
veces, hasta 5 ni/día. La construcción volvió a desarrollarse bajo
condiciones adecuadas de seguridad.
La excavación se hacía por partes: túnel piloto (coyotera), media
sección superior, media sección inferior. Se ademaba y se colaba el
revestimiento definitivo del túnel (guarniciones, clave y cubeta),
de manera progresiva y simultánea. (Ver figura 7.)

20. AN
PLANT
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PERFIL ESrRATIGRAFICQ
F £ O C A
rrJ LJSC.E-E SEC.D-.D SEC.C-C SEC.- SC.Á-A
Figura 7. Emisor Central.
Tramo 8-9A

21. 23
El túnel entre las lumbreras 8A y 8C del Interceptor Oriente
pasó de un estrato de basalto fracturado, cuyo techo iba
disminuyendo hasta anularse, a un pequeño valle con grava, arena
suelta y la Formación Arcillosa Superior propia de la Zona del
Lago. Se excavó a una profundidad de 32 ni. Se estabilizó ese tramo,
de casi 110 ni, mediante inyecciones de alta presión (entre 10 y
20 kg/cm2 ), practicadas tanto desde la superficie como desde e
interior de la excavación, utilizando silicatos. (Ver figura 8.)
El túnel (14.60 ni de ancho, 12.80 ni de alto, 19.80 ni de
profundidad media a la clave) que aloja los andenes y las vías de
la estación Camarones de la Línea 7 del Metro. (Ver figura 9.) Se
excavó por etapas (abriendo dos frentes, a partir de los túneles de
transición construidos desde las lumbreras 9N y 7N, cercanas a las
cabeceras de estación); atacando la sección media superior;
colocándole el revestimiento primario (tres capas de concreto
lanzado, con mallas metálicas intercaladas), e instalando anclas de
fricción (de 4 ni de longitud) en la bóveda. Luego, también por
etapas, se excavó la sección media inferior; se terminó el
revestimiento primario, y se coló el definitivo. (Ver figura 10.)
Es importante señalar que por el túnel, a lo largo de la estación,
se hizo pasar el escudo, de 9.51 ni de diámetro, utilizado para
excavar los tramos de túnel contiguos.

22. 24
EDIFICIOS E DI FI C 1 OS
TtA4ÍFSTO EZ2jTLIEL AAE(TO CS LA
Figura 8. Interceptor Oriente.
Tramo 8A-8C
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12.80
Figura 9. TÚnel para andenes y vías.
Estación Camarones de la Línea 7 del Metro

23. ------- --------
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Figura 10. Túnel para andenes y vI as.
Estación Camarones. Procedimiento constructivo
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25

24. 3. Construcción de túneles utilizando escudos abiertos
En nuestro país, los escudos abiertos fueron utilizados por primera
vez en la construcción de túneles para el drenaje de la ciudad de
México, excavados a una profundidad media de 12 m, en el subsuelo
de la Zona del Lago, con diámetros de 4.15 m (Colector de Apatiaco,
Prolongación Sur del Gran Canal, Colector 5 de Mayo), o de 3.15 m
(Colector 5, Colector 4, Colector Héroes: "La Raza").
El ingenio y la audacia responsable de los constructores, el apoyo
de los funcionarios y la asesoría de especialistas hicieron posible
que esas experiencias iniciales (1961-1969) fueran exitosas.
La ingeniería mexicana desarrolló, rápidamente, capacidad para la
construcción de túneles utilizando escudos abiertos.
a) En suelos firmes
Una obra relevante fue la construcción del Túnel Tacubaya (1138 m
de longitud, 9.14 m de diámetro), en el extremo poniente de la
Línea 1 del Metro de la ciudad de México, con un escudo abierto de
corta longitud (4.70 m), que permitió lograr los cambios de
dirección y de pendiente requeridos por el trazo. (Ver figura 11.)
26

25. 27
La clave del túnel se ubica a profundidades variables entre los 5 y
los 11 in. El subsuelo pertenece a la frontera entre la Zona de
Transición y la Zona de Lomas; pero su estratigrafía es complicada
por la presencia de abanicos aluviales, producto de la erosión
causada por el río Tacubaya en lomas aguas arriba. Se encontraron
desde arcillas consolidadas, hasta tobas cementadas a tal grado que
para la excavación de un centenar de metros fue necesario utilizar
explosivos.
Construir en túnel ese tramo de la Línea 1 permitió salvar diversos
obstáculos (la avenida Parque Lira, el Anillo Periférico, el
Interceptor Poniente, la vía del ferrocarril que va a Cuernavaca,
dos manzanas construidas en zona habitacional, colectores, líneas
primarias de la red de distribución de agua potable, gasoductos).
El 67 % de la longitud del túnel corresponde a tramos con curvatura
horizontal o vertical. Las pendientes variaron entre 0.8 y 7.0 %.
El radio de curvatura menor fue de 200 m.
Debido a la baja resistencia del suelo y a la poca profundidad del
túnel, la estabilidad de la excavación era preocupante en la clave;
no así en el frente, donde los factores de seguridad calculados
fueron aceptables. Además, se estableció que los asentamientos que
se provocaran en la superficie fueran menores que 9.1 cm (1 % del
diámetro del túnel). Consecuentemente, se optó por utilizar un
escudo abierto como base del procedimiento constructivo.

26. ERECCION DE LA DOVELA A ERECCION DE LA OOVELAB
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Figura 11. Túnel Tacubaya.
Trazo
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EN LA CLAVE
COLOCACION DEL TROOUEL COLOCACION DE LA DOVELAC
Figura 12. Túnel Tacubaya.
Colocación del revestimiento
A PARA
AP LOS
GATOS OC EXPANSION

27. 29
En 1969 y 1970 se construyeron los dos tramos del túnel, contiguos
a la estación Tacubaya. El avance medio diario fue satisfactorio:
4.50 a 6.75 ni.
El revestimiento consiste en anillos de concreto reforzado formados
por tres dovelas (dos de clave y una de piso), de 0.75 ni de ancho y
0.25 ni de espesor.
Los anillos se arman dentro del faldón del escudo. Las dovelas de
la clave se colocan en su posición mediante los brazos erectores,
se unen con una placa y se fijan con un troquel horizontal. La
dovela del piso se coloca al final. Esta, después del avance del
escudo, sale por el corte que tiene el faldón en la parte inferior
y entra en contacto con el suelo (primera fase de expansión del
anillo). Con el siguiente avance, salen las dovelas de la clave,
que se expanden bajo la acción de unos gatos apoyados en la del
piso y el auxilio de un troquel vertical. (Ver figura 12.)
Los gatos son substituidos por pequeños troqueles de tubo, se
procede a soldar las barbas de las dovelas y a colar, con aditivo
expansor, las uniones. Por último, se inyecta lechada de cemento
para rellenar los huecos entre el anillo y el terreno excavado.
La obra se desarrolló conforme a los programas establecidos y sin
provocar daños a las estructuras vecinas. Los asentamientos fueron,
en general, menores de 3 cm.

28. 30
El escudo, de 140 ton de peso, contaba con una cachucha de 1.55 m
de longitud que permitía a los perforistas trabajar con seguridad
sobre las plataformas deslizantes, excavando de arriba hacia abajo.
Si se requería ademar el frente, se podían utilizar 17 gatos
frontales, de 68 ton cada uno. En la parte central superior se
ubicaban los controles de los gatos hidráulicos y de los brazos
erectores. En el perímetro de la parte central se alojaban los 28
gatos de empuje, de 182 ton y 91 cm de carrera cada uno. (Ver
figura 13.)
Figura 13. Escudo abierto de 9.14 ni de diámetro

29. 31
En la Línea 9 del Metro, en subsuelo entre la Zona de Transición y
la Zona de Lomas, se construyó un tramo en túnel (1.07 kin) con el
mismo escudo utilizado para la construcción del Túnel Tacubaya. La
profundidad de la clave varió entre 7.5 y 18.5 iii.
b) En suelos blandos
La construcción de túneles con escudos abiertos, para el Sistema de
Drenaje Profundo de la ciudad de México, ha propiciado innovaciones
en tres aspectos importantes:
1. La utilización de aire comprimido, para estabilizar excavaciones
en las arcillas blandas de la Zona del Lago.
Durante la segunda etapa del Drenaje Profundo (1977-1982), en la
construcción, a 32 m de profundidad, del tramo 9-8 del Interceptor
Central, se utilizó la técnica de excavación presurizada con aire
comprimido y escudo abierto de 6.24 m de diámetro.
Desde 1973 (durante la construcción del tramo 9-10 del Interceptor
Central, utilizando aire comprimido, abatimiento del nivel freático
y escudo abierto, en Zona de Transición), ya habían sido adaptados
a la altitud de la ciudad de México los procedimientos y técnicas
de presurización y descoinpresión. Una minuciosa investigación
médica, realizada con cámara hiperbárica, permitió definir las

30. o
32
o
o tablas de descompresión adecuadas. Además, se precisó que el valor
máximo aceptable de presión era de 1.5 kg/cm 2 .
En la prolongación hacia el sur del Interceptor Central (tramos 8-7
y 7-6) se siguió utilizando aire comprimido a presiones variables
entre 0.7 y 1.3 kg/cm
2
La ubicación de las esclusas en la lumbrera (al iniciar el tuneleo)
y, después, en el interior del túnel, se ilustra en la figura 14.
En 1981, durante la construcción del tramo 7-6, se llegó a una zona
de muy baja resistencia de las arcillas. Además, los anillos de
dovelas del revestimiento primario eran muy flexibles. Así, la
geometría del revestimiento sufrió deformaciones excesivas. Fue
necesario suspender la excavación. Se apuntaló el túnel y se tuvo
que colar, de emergencia, el revestimiento definitivo.
Cerca de la lumbrera de acceso, en una zona que permaneció
despresurizada mucho tiempo, se presentaron asentamientos en la
superficie hasta de 54 cm.
Parecía que el método había llegado a los límites de su aplicación
en el subsuelo de la Zona del Lago. Pero al mejorar los diseños de
las dovelas y las técnicas de inyección de contacto, ha sido
posible volver a aplicarlo, con éxito, en obras recientes.

31. 1Daa11a
ESCL.UE)S EN IUMBRE
1. Ea1tiaa d arac,i-ta1
2 - Eac1tiaa da zaga
33
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EL.USS EN TUNEL.
025 025m
12 m - 9 0 m - 5.56
1
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cia razaga
1-
Figura 14. Túnel presurizado con aire comprimido.
Ubicación de las esclusas

32. e
34
e
e
e
2. La mejora de los sistemas de endovelado.
e
La evolución en este aspecto ha sido muy importante. De los
el
el
primeros anillos formados por 16 dovelas prácticamente inconexas y
de baja resistencia (140 kg/cm ), se paso a unos de 11 (coladas
e
e
con moldes ingleses de granito). Luego, a aquéllos que resultaron
el
demasiado flexibles (sólo 4 dovelas y una llave sin tornillos, con
una junta de rótula). Y, por último, aprovechando las ventajas del
e
endovelado del Colector Semiprofundo Iztapalapa (evidentes desde
e
1984), a otros (de 6 piezas y una cuña, con sellos, cajas metálicas
e
y tornillos de conexión); de mayor resistencia (350 kg/cm), y
e
utilizados desde 1985 en túneles del Drenaje Profundo, excavados
_ con escudos abiertos, de 6.24 m de diámetro, y aire comprimido.
e
3. La inyección de contacto simultánea con la excavación.
e
•
Se logró al modificar el faldón de los escudos abiertos, colocando
un sello triple (formado por dos de neopreno y uno de alambre).
e
Así, se aprovechó una característica de los escudos excavadores,
e
que ya había demostrado su utilidad en la construcción de túneles
e
profundos en las arcillas blandas de la Zona del Lago. (El retaque
del hueco entre las dovelas y el terreno, en cuanto sale del faldón
el anillo, disminuye notablemente la magnitud de los asentamientos
superficiales porque minintiza los movimientos radiales del suelo, y
las filtraciones, hacia el túnel.)
e
e

33. 4. Construcción de túneles utilizando escudos excavadores
a) Primeras experiencias
En 1960 era urgente construir colectores del drenaje de la ciudad
de México, entre 12 y 15 ni de profundidad y con diámetros hasta de
4 ni, en las arcillas blandas de la Zona del Lago. Colaborando con
las autoridades gubernamentales, los ingenieros Cravioto y
Villarreal diseñaron y fabricaron un escudo de frente cerrado
con un brazo excavador giratorio.
Ese primer escudo tenía una licuadora, emboquillada en la parte
inferior del frente, para disgregar el material excavado, al que se
le agregaba agua en la cantidad necesaria. Una bomba centrífuga, de
impulsor abierto, extraía del túnel por la tubería de rezaga la
suspensión de arcilla licuada.
El revestimiento, de concreto reforzado, se colaba, in situ, con
cimbra y contra el terreno excavado. El escudo era empujado por 18
gatos, apoyados en el último tramo colado, por medio de un anillo
perimetral móvil que servía de tapón. El procedimiento no permitió
lograr los resultados esperados. El avance fue precario (220 ni, en
nueve meses de trabajo).
35

34. e
36
e
e
e Después de esa experiencia se descartó, durante varios años, la
e utilización de escudos excavadores, a profundidades medias, en el
e subsuelo de la Zona del Lago. (Los colectores fueron construidos
e usando escudos abiertos, equipados con rejillas en el frente, y
•
mejorando la técnica de rezaga al adicionar un proceso de batido
antes de licuar las arcillas excavadas.)
e
e Desde 1968, Solum ha utilizado, con éxito, un escudo excavador
e basculante (Calweld), de 3.04 ni de diámetro, para construir túneles
e (captaciones, sifones) a profundidades moderadas, en el subsuelo de
•
la Zona del Lago y en el de la Zona de Transición.
e
e Dos escudos ingleses (máquinas universales de 6.24 ni de diámetro),
e de frente cerrado, con estrella excavadora, diseñados y fabricados
e especialmente para construir túneles del Drenaje Profundo, fallaron
e al intentar utilizarlos.
e Uno, en 1969, fue utilizado en el tramo 11-10 del Interceptor
e Central, en Zona de Transición, a 36 ni de profundidad. Después de
e 10 meses de trabajo y muchos problemas (debidos a la intercalación
e de estratos duros con horizontes arcillosos), excavó sólo 70 ni y se
e produjo una falla en el frente. Para reanudar la excavación fue
e necesario construir una cámara que permitiera desmantelar el escudo
e y convertirlo en abierto, consolidando (mediante inyecciones) el
e suelo alrededor y adelante del escudo, y construir pozos de bombeo
e para abatir el nivel freático.
e
o

35. e
e
e
e
Otro, en 1970, excavó, en la Zona del Lago, 31 itt en el tramo 5-6
e
del Interceptor Oriente (en arcillas blandas de baja resistencia y
e
alta compresibilidad, de la Formación Arcillosa Superior, cercanas
e
a la Capa Dura). Se tuvieron serios problemas para controlar el
e
avance; mantener al escudo en línea y nivel, y colocar las dovelas
e del revestimiento primario.
e
e A la mitad del trecho excavado, un domingo, por la mañana, cinco
e
trabajadores notaron que por las juntas del endovelado, en el piso
e
de un anillo, penetraba arcilla. Cuatro de ellos salieron a buscar
e madera para afianzar el anillo. El quinto, atemorizado, salió poco
e
después; justo antes del colapso del revestimiento. La falla fue de
e
magnitud tal que la arcilla llegó hasta la lumbrera. El hundimiento
e provocado en la superficie fue de 3 m. Para detener el proceso, la
e lumbrera fue rellenada con suelo. (La construcción de ese tramo y
e las excavaciones profundas en esa área fueron diferidas.)
e
e Se habían adquirido tres escudos con las mismas características. El
e tercero ya no fue utilizado.
e
e b) Diseño conceptual
e
e
Esas primeras experiencias, con sus fracasos y sus éxitos, fueron
e
aleccionadoras. Bien asimiladas; aprovechadas como las obtenidas al
e
utilizar escudos abiertos, sirvieron para definir, correctamente,
e
la futura utilización de escudos excavadores en la Zona del Lago.

36. 38
La Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica, del
Departamento del Distrito Federal, creó, en 1978, el Coirtité Técnico
del Drenaje Profundo, integrado por especialistas de reconocido
prestigio: Raúl Marsal, Daniel Reséndiz, Stanley D. Wilson y Ronald
E. Heuer. (Los dos últimos, estadounidenses.)
El Comité elaboró el diseño conceptual de un escudo excavador para
construir túneles, con seguridad, rapidez y eficiencia, en las
arcillas más blandas de la Zona del Lago. (Además, estudió la
manera de resolver otros complejos problemas técnicos.)
Las principales especificaciones del diseño conceptual del escudo
fueron:
Apto para excavar, a profundidades hasta de 30 in, túneles de
6.24 m de diámetro, en las arcillas de la Zona del Lago (contenidos
de agua variables entre 250 y 550 %; cohesiones, o resistencias al
corte, con valores desde 0.15 hasta 0.50 kg/cm 2 ), tomando en
cuenta que, con frecuencia, hay lentículas y estratos duros con
resistencias hasta de 5.0 kg/cina.
Garantizar que sea posible mantener continuamente presurizado el
frente, mediante lodo bentonítico o aire comprimido, bajo presiones
hasta de 2.5 kg/cm 2 (la presión del aire no debe ser mayor que
1.0 kg/cm2 ). Además, debe ser posible soportar mecánicamente,
en cualquier momento, el frente de la excavación.

37. e
e
e
e 3. Asegurar que el rendimiento mínimo de la excavación sea de 10 in
e diarios.
e
e 4. Dotar al escudo de una cabeza cortadora que pueda girar en uno,
e o en otro sentido, y que, también, sea posible desplazarla hacia
e atrás, o hacia adelante, cuando se requiera.
e
e 5. Contar, en el faldón (cola) del escudo con un sello triple que
e impida la fuga de lodo bentonítico del frente (ingreso al interior
e del túnel), y que permita efectuar la inyección de contacto, entre
e los anillos de dovelas del revestimiento primario y el terreno, de
e manera simultánea con la excavación.
e
e 6. Bombear hacia la superficie el producto del corte (rezaga).
e
e 7. Contar con un sistema de monitoreo que permita conocer, en
e cualquier momento, los siguientes datos: a) presión del fluido de
e excavación; b) volumen excavado; c) alineamiento y nivel del túnel;
e d) presión de trabajo y extensión de los gatos, y e) temperatura y
e carga de los motores eléctricos.
e
e El Instituto de Ingeniería, de la Universidad Nacional Autónoma de
e México, coordinó el trabajo del Comité, en estrecha colaboración
e con la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica, y
e las empresas constructora y supervisora, durante trece meses de
e intensa actividad.
e

38. 1SJ
Con el diseño conceptual, y luego de conocer, analizar y evaluar
las experiencias mundiales más pertinentes, se encargó el diseño
ejecutivo del escudo a un consorcio integrado por tres empresas:
Solum, Straain (estadounidense) y Okuinura (japonesa).
Escudo prototipo
Para probar y afinar el diseño, y por recomendación del Comité, se
fabricó (Okumura) un escudo de 4 in de diámetro para utilizarlo a
profundidades entre 12 y 16 in.
El escudo tiene 6.30 m de largo. La cabeza cortadora gira a 1.1, ó
a 1.6 rpm (en cualquiera de los dos sentidos), con torque máximo de
108 ton m, y se puede desplazar 35 cm (hacia adelante, o hacia
atrás), por medio de un gato de 200 ton, acoplado a la flecha. El
sello triple, al final del faldón, está integrado por dos de
neopreno y uno de alambre (perimetrales). Para el empuje tiene 16
gatos, con capacidad máxima de 100 ton cada uno. (Ver figura 15.)
Los anillos se forman con 5 dovelas y una llave, de 1.0 ni de ancho
y 17.5 cm de espesor, de concreto reforzado (f'c = 350 kg/cm2 ).
Aplicaciones y nuevos diseños
El escudo prototipo se utilizó, con mucho éxito, en la construcción
del Colector Seniiprofundo Iztapalapa. (Ver figura 16.)

39. /PISPCCC/OÑ
e
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41
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Figura 15. Escudo prototipo
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Figura 16. Colector Semiprofundo Iztapalapa
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Figura 17. Colector Semiprofundo Iztapalapa.
Perfil estratigráfico típico del subsuelo

41. 43
La profundidad media al eje del túnel del Colector es de 14 ni y su
longitud de 5340 ni (5 tramos; 6 lumbreras, más otra para el cárcamo
de bombeo). El subsuelo pertenece a la Zona del Lago (arcillas
blandas: alto contenido de agua y baja resistencia al corte). En la
figura 17 se muestra un perfil estratigráfico típico de ese lugar.
La excavación (1984-1986) se desarrolló eficientemente (275 ni/mes:
11.6 ni/día), sin problemas graves, y produciendo asentamientos en
la superficie de sólo 12 mm, en promedio. (Ver figura 18.)
Comprobadas las bondades del diseño, Okumura (empresa ganadora del
concurso) fabricó, en 1986, dos nuevos escudos excavadores para ser
utilizados en la construcción de túneles de los interceptores del
Drenaje Profundo.
Sus características principales son: 6.24 ni de diámetro exterior,
7.30 ni de longitud, 240 ton de peso; 24 gatos con capacidad de 120
toneladas de empuje cada uno, 1.15 ni de carrera y desplazamiento de
5 cni/min; cabeza cortadora con torque hasta de 352 ton ni, velocidad
de rotación de 0.67, ó 1.00 rpm, y 40 cm de desplazamiento mediante
un gato de 360 ton.
El revestimiento primario lo integran anillos de 5 dovelas y una
llave, de concreto reforzado de alta resistencia (atornilladas y
con sellos de neopreno), con 1.0 ni de ancho y 25 cm de espesor.
(Ver figura 19.)

42. 8
¡
8
9
8
5
9
8
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FAL DON
730cm
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Figura 19. Escudo excavador y revestimiento primario
CL AVE
44
L-f L-3 L-5
L-00000 000 L-2
2/735 150
L-4
4 , 686 768
-6
0-018050 11454910 3'581 708 51-339559
Ijoill
••Q/•
TUS/EL
500 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
DISTANCIA, m
Figura 18. Colector Semiprofundo Iztapalapa.
Avance de la construcción

43. e
45
e
e
Los primeros tramos de túnel excavados con esos escudos fueron:
el comprendido entre la lumbrera 4A del Interceptor Central y la
lumbrera 1 del Interceptor Centro Centro, y el 1-2 de este último
e
interceptor. (Ver figura 20.)
e
e
Como fluido presurizador se utilizó una mezcla de aguas negras
e
tratadas y arcilla excavada del subsuelo.
e
e
e Con esos escudos, se construyeron 10 km de túneles en un lapso de
e
tres y medio años. Los avances fueron muy satisfactorios (hasta de
450 m/mes); los asentamientos provocados despreciables; el tuneleo
de gran calidad (geometría, nivel, alineamiento, estanqueidad), y
e
• muy alentador. (Ver figura 21.)
e
Para tuneleo en la Zona del Lago, recientemente fue diseñado y
fabricado en México otro escudo de 4 in de diámetro, instrumentado
e
e con sistemas menos complejos que los del escudo prototipo.
e
Se utiliza, exitosamente, en la construcción de un tramo del
e
interceptor sexniprofundo denominado Canal Nacional, en subsuelo
e
e arcilloso, muy compresible, del sureste de la ciudad.
e
La excavación se inició en 1988. Los rendimientos, hasta la fecha,
han sido de 11 ni/día, en promedio. La profundidad del interceptor
e
es de 14 m. La longitud total será de 14.5 kni.
e
o

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Figura 20. Interceptor Central e Interceptor Centro Centro
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1 c i - 1
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30 - ABIERTO ESCUDO ABIERTO
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20 - DOVELAS NYEODON
L94324 I.C.
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SIIIJUT7NEA
o
1-84 051 11.C.
lo-
L536 T.0
+15 lO
0
1971 1975 1980 1985 87
Figura 21. Interceptor Central. Asentamientos superficiales.
Túneles excavados con escudos de 6.24 ni de diámetro

45. 47
En el tuneleo con escudo excavador en suelos blandos, puede haber
problemas (fallas incipientes, flujos de suelo) al principio o al
final de la excavación (salida de, o llegada a, la lumbrera). Para
evitarlos, se ha optado por: consolidar el subsuelo inyectándole
(con manguitos) silicatos, o bentonita cementada; o sustituirlo por
una mezcla de suelo y cemento. Además, durante la salida, el escudo
se hace pasar a través de un sello periinetral que impide la fuga de
lodos del frente hacia la lumbrera, al inicio de la excavación.
El tratamiento por inyección (figura 22) ha dado buenos resultados
y quizás sea preferible al de sustitución. Sin embargo, conviene
estudiar a fondo estas etapas del tuneleo en suelos blandos, para
precisar las técnicas y procedimientos idóneos.
e) Otras experiencias
El escudo utilizEio para la construcción del Túnel Tacubaya y,
luego, en la Línea 9 del Metro, modificado en la parte inferior
(para excavar parte del frente con una rozadora Westfalia), fue
usado, además, en la construcción de la Línea 7. El éxito de esta
experiencia condujo (1985) al diseño, fabricación y utilización de
un escudo excavador de alto rendimiento y seguridad, para tuneleo
en suelos firmes, que ha demostrado sus ventajas al ser construida
la prolongación, hacia el norte, de la Línea 7 del Metro.

46. El escudo tiene 9.51 ni de diámetro, 7.60 ni de longitud en la parte
superior y 6.40 ni en la inferior. Excava con dos cabezas rozadoras
Alpine. Usa 31 gatos de empuje de 177 ton y 1.35 ni de carrera cada
uno. Su rendimiento ha sido de 18 ni/día, excavando poco más de 2 km
de túnel con una profundidad inedia, al eje, de 25 ni. Los anillos de
dovelas forman el revestimiento definitivo. (Ver figuras 23 y 24.)
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(3/8) G/RADO 90°CON
RESPECTO A LOS M,4S
CERCANOS (500mn,)
'080 DE FIERRO NEGRO
8 0(1 '/2")
L:i L1
JL±
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Figura 22. Tratamiento del subsuelo mediante inyecciones.
(Preparación para la salida del escudo)

47. 2.40 t 2.40 2.40
e it. n.a 1 e
9-51
...n i)
ere c
LiC
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- a n
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49
Figura 23. Túnel de 9.51 m de diámetro.
Procedimiento constructivo
-t
5.20 1.20
Figura 24. Túnel de 9.51 m de diámetro.
Revestimiento y escudo excavador

48. Conclusiones y recomendaciones
En suma, es indudable que los avances logrados por la ingeniería
mexicana en la construcción de lumbreras y túneles en suelos son
muy significativos (sobre todo en calidad, ya que la carencia de
recursos económicos ha implicado restricciones cuantitativas).
Es indispensable redoblar esfuerzos y alcanzar metas todavía más
ambiciosas. Lograr hacer más, con menores costos, y hacerlo bien.
Será necesario resolver problemas nuevos, construir en suelos aún
más difíciles, ejercer plenamente el arte y las técnicas de la
ingeniería subterránea.
Para lograrlo, tendremos que concertar la participación entusiasta,
responsable y competente de especialistas, constructores, técnicos,
consultores, supervisores, ingenieros, autoridades, instituciones.
En la ciudad de México deberemos construir estaciones subterráneas
para el Metro, en plena Zona del Lago, realizando excavaciones de
gran magnitud y a bastante profundidad; prolongar los interceptores
profundos, excavando en las arcillas de menor resistencia y más
alta compresibilidad; desarrollar métodos y técnicas para contar

49. 51
con una gran cantidad de túneles, de pequeño diámetro, imposibles
de construir con escudos excavadores como los utilizados en las
experiencias reseñadas (considerando las técnicas ya existentes de
hincado de tubos, control remoto de miniescudos automatizados, y la
indispensable mejora de los métodos y el abatimiento de los costos
en la construcción de lumbreras); mejorar aún más los sistemas de
revestimiento (sobre todo en lo relativo a durabilidad, facilidad
de mantenimiento y reparación, impermeabilidad, y lograr, en el más
corto plazo posible, la utilización de un revestimiento único en
los túneles para drenaje); determinar las técnicas y procedimientos
que garanticen el inicio y el término, sin problemas, del tuneleo
en suelos blandos (salida y llegada de los escudos excavadores).
En otras ciudades y regiones de nuestro país se necesitarán obras
subterráneas similares y, sin duda, se encontrarán, también, suelos
difíciles.
En México, tenemos que revalorar nuestras experiencias; adaptar
tecnología y no sólo importarla; aprovechar plenamente nuestros
recursos y capacidades, los métodos, técnicas y herramientas de
construcción, investigación y análisis existentes, y promover su
desarrollo y mejoramiento.
La ingeniería mexicana sabrá enfrentar, con éxito, estos desafíos
formidables.

50. 52
1
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.0

55. Resumen
Se describen y reseñan experiencias innovadoras en la ingeniería de
túneles y obras subterráneas de México, producto del desarrollo que
la mecánica de suelos ha tenido en este país y del notable avance
de la ingeniería mexicana durante las últimas décadas.
Las experiencias se circunscriben a la construcción de lumbreras y
túneles en suelos, y corresponden a obras realizadas para resolver
serios problemas de drenaje y transporte en la ciudad de México.
Se refleja y destaca la capacidad de la ingeniería y la industria
de la construcción mexicanas para enfrentar y resolver problemas
nuevos al construir: 1) lumbreras en suelos; 2) túneles, sin
utilizar escudo; 3) túneles, con escudos abiertos, y 4) túneles,
con escudos excavadores.
3