Métodos constructivos de Túneles Viales e Hidráulicos en Perú y Colombia

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Métodos constructivos de Túneles
Viales e Hidráulicos en Perú y Colombia

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Métodos constructivos de Túneles Viales e
Hidráulicos en Perú y Colombia
I N T R O D U C C I Ó N
Un túnel se presenta con frecuencia como una solución alternativa de otras a cielo abierto. Nuestro país
tiene una accidentada orografía a causa de grandes sistemas montañosos, esto ha dado origen a
construcciones de túneles de carretera de razonables longitudes para poder enlazar en forma más
expedita ciudades o lugares de importancia y facilitar los transportes más diversos. Para seleccionar la
mejor alternativa o solución es necesario proceder sistemáticamente; primero un estudio previo, que
permita recomendar una solución (a veces varias) y el año óptimo de su puesta en servicio. Luego viene
la etapa de anteproyecto de la o las soluciones recomendadas y por último el proyecto de la obra
completa. A continuación se indican las fases que se deben considerar al construir un túnel:
 El objetivo de la obra subterránea
 La geometría del Proyecto: trazado y sección tipo
 La geología y geotecnia del macizo
 El sistema Constructivo
 La estructura resistente: el Cálculo
 Las instalaciones para la explotación

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Túnel Vial “EL TOYO” en Colombia

6 Túneles Cortos
10 Puentes
9 Muros
Túnel del Toyo
1 Túnel Corto
4 Puentes
1 Pasarela
1 Muro
TRAMO No. 1:

Colombia es un país en el que la situación política y económica se mantiene
estable desde hace algunos años. Este entorno hace que se pueda abordar la
necesidad acuciante de mejoras en Infraestructuras y es la intención del
Gobierno. Si bien, la orografía de la zona lleva a que las dificultades técnicas
sean importantes y el coste elevado. Pero el país no puede evolucionar sin
estas inversiones lo que hace que haya muchos caminos aún por abrir para
nuestro sector.
DATOS GENERALES
 Habitantes: 49M (47M)
 Superficie: 1.141.748km2 (505.000km2)
 Tasa de Desempleo: 9,87% (19,45%)
 PIB: 282.462M$ (1.232.100M$)
 PIB per cápita: 7525$ (31.449$)
 Salario mínimo profesional: 252$/mes (893$/mes)
 * (_) Datos correspondientes a España

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Inicio de Obras del Túnel Vial “DEL TOYO”
(31.01.2018)
El proyecto es producto del esfuerzo mancomunado de la Agencia Nacional de Infraestructura, el
Invias, la Gobernación de Antioquia y el Municipio de Medellín.

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3 Inicio de Obras del Túnel Vial “DEL TOYO”
La Construcción está a cargo del Consorcio Antioquia al Mar conformado por @FCC, @Grupo Solarte y Estyma SA. Con la
Gerencia de proyecto de @CCC y @Restrepo y Uribe y la interventoria a cargo de INTEGRAL, S.A.

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3 Inicio de Obras del Túnel Vial “DEL TOYO”

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DISEÑO GEOMETRICO. ANALISIS Y
RESULTADOS DEL TÚNEL DEL TOYO

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DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA, GEOMECÁNICA,
GEOMORFOLÓGICA, GEOTÉCNICA,
GEOFÍSICA DEL TÚNEL EL TOYO

PROJETO |
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Basalto de la Formación Barroso, con tres faittifias de discontinuidades principales y otras
meriores mós cortas.
Toba lítica con itiatriz de grano fino a medio, de color cM ro y fragmentos angulares de
basalto.

PERFIL GEOLOGICO DEL TUNEL EL TOYO

CALIDAD DE ROCA DEL TRAMO “TUNEL EL TOYO”

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DISEÑO GEOTÉCNICO TÚNEL DE TOYO.
(MÉTODO DE DISEÑO POR TUNELADORA
TBM)

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DISEÑO GEOTÉCNICO MEDIANTE TUNELADORA (TBM) PARA EL
TÚNEL DEL TOYO AUTOPISTAS DE LA MONTAÑA
INTRODUCCIÓN
Como parte del desarrollo del noroccidente de Colombia se tiene planeado la
construcción de las autopistas de la montaña, El diseño geométrico realizado
por el consorcio para los estudios fase II incluye varios túneles con diferentes
longitudes, estos túneles permitirán una mejora sustancial en el tiempo de
recorrido y en los costos de operación para el usuario.
OBJETO
El objeto general de este documento es presentar el análisis analítico de la
utilización de tuneladoras para la construcción del túnel del Toyo y una
primera aproximación rendimientos de las mismas. Con esto se pretende
tener una base sólida para determinar la solución económica, segura y que
cumpla con los criterios de estabilidad para este proyecto.
ALCANCE
El presente informe tiene como alcance:
 Determinar qué tipo de tune1adora(s) es apta para la para la
construcción del túnel del Toyo.
 Cálculo de rendimientos para los diferentes tipos de tuneladora
 Establecer una base conceptual para la selección del tipo de
tuneladora

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METODOLOGÍA
El análisis se realizó de manera separada para los diferentes tipos de
tuneladoras en el mercado: (1) tuneladora “Gripper", (2) tuneladora de escudo
sencillo y (3) tuneladora de escudo doble.
La mayoría de los datos de entrada para el presente informe se tomaron del
mapeo geológico de la zona del proyecto.
TUNELADORAS
En el mercado existen básicamente tres tipos diferentes de tuneladoras:
1. Tuneladora “Gripper”
2. Tuneladora de escudo sencillo
3. Tuneladora de escudo doble
Para todas las tuneladoras se realizó el análisis con un diámetro de 13 m y
avances de 1.5 in, valor asurriido teniendo en cuenta las dimensiones de los
segmentos de l a s dovelas.

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3 1. TBM “Gripper”
La tuneladora “Gripper” a diferencia de las tuneladoras con escudo, permite
la instalación de soporte (arcos, concreto lanzado, pernos etc.) cuando los
desplazamientos radiales (convergencias) así lo requieran. Por este motivo
el chequeo de convergencias no es determinante para este tipo de
tuneladora. Para las tuneladoras “Gripper” es necesario el chequeo de la
presión de los gatos hidráulicos contra la formación geológica.
Para una resistencia a la compresión del macizo de 4 MPa, es necesaria
un área mínima de 3.2 M2 por gato hidráulico (“Gripper”).

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3 2. TUNELADORADE ESCUDO SENCILLO
Para la tuneladora de escudo sencillo el soporte y la estabilización de la
perforación está dada principalmente por el sistema de dovelas, de ser necesario,
con algunas complicaciones y dependiendo del tipo de máquina, soporte adicional
puede serinstalado.
Para este cálculo se tomó una tuneladora con un escudo de 13 m y una sobre
excavación de 20 cm el cálculo de la convergencia crítica es de 36 cm

PROJETO |
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3. TUNELADORADOBLE ESCUDO
Al igual que para la tuneladora de escudo sencillo en las tuneladoras de doble
escudo la estabilización se logra a través de los sistemas dovelas, de igual
manera dependiendo del tipo de maquina es posible la inclusión de soporte
adicional.
Para el cálculo de la tuneladora de escudo se asume una maquina con 15 m
de longitud y una sobre excavación de 20cm. Este cálculo arroja como valor
critico 33 cm-

PROJETO |
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3 Las siguientes consideraciones también se deben tomar en cuenta para la
construcción con tuneladoras (TBM):
Cronograma y logística:
 Los tiempos de espera de las maquinas pueden llegar a 2 años.
 El trasporte de la tuneladora desde el puerto de entrega al área
del proyecto requiere un manejo logístico, así como maquinaria
especial para el trasporte e instalación.
 El presente informe no tiene en cuenta la ampliación para nichos de
parqueo o ampliaciones para zonas de evacuación, estas requieren
medias especiales, colocación de soporte adicional (diseño de dovelas
especiales), desmonte de las dovelas en la zona a ampliar,
excavación e instalación de soporte, esto no interfiere con el
funcionamiento de la tuneladora sin embargo de debe tener en cuenta
en el cronograma y presupuesto.

PROJETO |
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Diseño:
 Es esencial tener un modelo geológico, geotécnico y geo mecánico
detallado, basado en visitas de campo, ensayos in-situ/laboratorio,
perforaciones, métodos geofísicos, etc. El entendimiento de dichos
modelos debe ser mucho superior al que se suele tener cuando se
diseña para excavaciones por “drill and blasting”. Las tuneladoras no
permiten correcciones durante excavación, un mal diseño puede
comprometereléxito delProyecto
 La selección del tipo de maquina se debe hacer para el proyecto
específico en los criterios anteriormente mencionados.

PROJETO |
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CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
La utilización de tuneladoras para la construcción de túneles constituye una
interesante alternativa especialmente en túneles de gran longitud, en estos el
ahorro de tiempo/dinero se hace evidente cuando se compara con la
construcción/excavación con el método convencional de “drill and blasting”.
Las tuneladoras son aptas para teiTenos “medios”, terrenos muy con muy bajas
propiedades geo- mecánicas pueden presentar problemas de atascamiento de la
tuneladora, de igual manera terrenos muy competentes (especialmente
propiedades como: resistencia a la compresión, dureza y abrasividad)
disminuyen considerablemente el rendimiento de las tuneladoras.
Los cálculos realizados en el presente informe, muestra que los diferentes tipos
de tuneladoras (Gripper, de escudo sencillo y doble) pueden ser utilizadas para el
proyecto del túnel el Toyo, la decisión final debe ser realizada basada en el
cronograma, el presupuesto, los rendimientos y las ventajas y desventajas de
cada tipo de máquina. Además del tipo de maquina se debe seleccionar el sub-tipo
de tuneladora 4 teniendo en cuenta los siguientes aspectos, entre otros:
 Geología
 Alineamiento (vertical y horizontal)
 Restricciones del área del proyecto: Área disponible, vías de acceso entre otros
Restricciones en uso de materiales, maquinaria: Grúas de gran capacidad son
necesarias en el momento de instalación de la tuneladora
 Materiales disponibles en el área del proyecto
 Disponibilidad financiera para la adquisición de la tuneladora
 Configuración del tren Propulsión requerida Geometría de las dovelas

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DISEÑO GEOTÉCNICO TÚNEL DE TOYO
(DISEÑO POR EL MÉTODO CONVENCIONAL)

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Localización Descripción Geológica Descripción Geotécnica
27=240 - 28+800
Basalto flujos macizos y lavas almohadilladas,
gabro, diabasa y toba lítica. Color verde a matiz gris
verdoso a gris oscuro. Meteoriza a tonos verdes
claros, pardos y amarillentos; alteración en las
superficies de ruptura de color gris café oscuro blanco,
y veticas parduzcas. Intercalaciones poco abundantes
de rocas sedimentarias, generalmente silíceas con
estratificación delgada. Pliegues de tamaño mediano
apequeño
RQD 50 - 80%%% rocas notablemente
deformadas en zonas de falla
Discontinuidades poco continuas, por lo
general algo separadas. Posible colapso de
cuñas, Fracturas en profundidad
posiblemente cerradas. Rocas duras y con
ruptura y deformación frágil.
28+800 - 30+900
Rocas volcánicas: basalto con intercalaciones de
tobalítica, gabroy algodegrawaca. Predomina el
colorverdeoscuroyverdemedio.
Rocas sedimentarias: grawaca, limolita silicea,
limolita arcillosa, alternancia de arenisca brechosa y
limolita, capitas de 2-4 cm, Conglomerado y brecha
sedimentaria con cantos oscuros de 1-2cm.
Predominan el gris y café, con colores de
meteorización generalmente café claro y pardo.
Estratificación generalmente fina y comunmente
plegada, que incluye pliegues isoclinales
Discontinuidades bastante extendidas y
continuas, presentes hasta la rasante.
Corresponden en su mayoría a los planos de
estratificación. RQD 15 — 40%Posib1es
desprendimientos y colapsos de fragmentos
de tamaño moderado rocas muy deformadas
en zonas de falla: brecha y cizalla. Gran
porcentaje de rocas blandas. Algunas con
deformación dúctil.
33+585 - 34+670
Brecha, grawaca, limolita silicea y arenisca fina,
estratificadas como capas de 20 a 50cm.Color gris y
café oscuro. Meteorizan a gris claro, café claro y
pardo. Pliegues Amplios.
34+670 - 35+790
Grawaca,areniscaylimolita,Areniscaslaminadas
grano fino a grueso Color gris y café. Meteorizan a
tonos pardos y café claro. Estrías de fricción con
actitud 265/48.
Discontinuidades bastante extendidas y
continuas, presentes hasta la rasante.
Corresponden en su mayoria a los planos de
estratificación. RQD15-40%Posib1es
1. Determinación del macizo Rocoso
Para el TÚNEL DEL TOYO que se inicia en el Km 27+190 (portal de entrada), cerca de la localidad de
Morrón y termina en el Km 36+930 (portal de salida), cerca de la población de Cañasgordas, conecta
las vertientes oriental y occidental de la Cordillera Occidental, y atraviesa macizos rocosos de diversa
calidad, resistencia y grado de meteorización. El modelo geológico se definió de la siguiente manera:

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3 Recomendaciones de Tipo de Soporte
Con base en los resultados obtenidos en las propiedades del macizo rocoso y, al
mismo tiempo, considerando las recomendaciones del sistema de clasificación
geomecánica RMR, se recomiendan los siguientes tipos de soporte para cada uno de los
terrenos caracterizados en el Túnel de Toyo:
LOCALIZACION RMR TIPO DE TERRENO TIPO DE SOPORTE
24+190 — 27*240 21 Muy Malo V
27+240 — 27=800 67 Bueno II
27+800 — 30+900 52 Regular III
30+900 — 33+585 33 Malo IV
33+585 — 34+670 51 Regular III
34+670 — 35+790 49 Regular III
35+790 — 36+260 35 Malo IV
36+260 — 36+830 49 Regular III
36+830 — 36+930 22 Muy Malo IV
La efectividad de los sistemas de soporte propuestos (los tipos de soporte y sus
elementos se encuentran indicados en los planos) se evaluará con base en las
medidas de convergencia. Cualquier requerimiento de soporte adicional se basará
en la interpretación (y dirección) de las deformaciones.

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Definición de los Sistemas de Soporte
Para el Túnel de Toyo, se definieron Cuatro (4) sistemas de soporte para garantizar
la estabilidad de la excavación subterránea para los diferentes tipos de terreno. Aquí
se hace una descripción de los elementos que componen cada uno de los tipos de
soporte:
Soporte tipo II
 Excavación en dos (2) etapas: excavación sección superior y excavación
banca. La longitud de avance en sección superior es entre 2.40 - 3.60
metros y la longitud de avance en sección banca es entre 2.40 - 7.20
metros
 Concreto lanzado de 8 cm de espesor, reforzado con malla metálica. La
instalación del concreto debe ser en dos (2) pasadas cada una de 4 cm de
espesor.
 Pernos en roca, localizados según se requiera, de 4 a 6 metros de
longitud. La función de estos pernos esestabilizar bloques sueltos.

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Soporte tipo III
 Excavación en dos (2) etapas: excavación sección superior y excavación banca.
La longitud de avance en sección superior es entre 1.20 - 2.40 metros y la
longitud de avance en sección banca es entre 1.20 - 3.50 metros.
instalación del concreto debe ser en dos (2) pasadas cada una de 5 cix de
espesor.
 Arcos metálicos de techo para aumentar la rigidez del soporte espaciados cada 2
a 3 metros.
 Pernos en roca localizados alrededor de la excavación de 6 a 8 metros de
longitud. La función de estos pernos es crear un anillo de soporte reforzado.
 Tubos para atices inyectados (localizados según se requiera) de 3 a 4 metros de
longitud.
Soporte Tipo IV
 Excavación en tres (3) etapas: excavación sección superior, excavación banca
y excavación solera. La longitud de avance en sección superior es entre 1.20 -
2.40 metros y la longitud de avance en sección banca es entre 2.0-3.50 metros.
La excavación y construcción de solera con concreto convencional reforzado.
El espesor total de concreto es de 45 cm.
instalación del concreto debe ser en dos (2) pasadas cada una de 7.50 cm de
espesor.
 Cercha Metálica #70 (12.5 Kg/m) espaciados cada 1.20 a 2.40 metros.

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Soporte Tipo IV
longitud. La función de estos pernos es crear un anillo de soporte reforzado.
 Tubos para atices inyectados (localizados según se requiera) de 3 a 4 metros de
longitud.
 En caso de obtener deformaciones altas, se hace la provisión de una tercera
etapa de excavación. La excavación y construcción de solera con concreto
convencional reforzado. El espesor total de concreto es de 45 cm.
Soporte Tipo V
 Excavación en tres (3) etapas: excavación sección superior, excavación banca y
excavación solera. La longitud de avance en sección superior es entre 1.0 - 2.0
metros y la longitud de avance en sección banca es entre 2.0-3.0 metros. La
excavación y construcción de solera con concreto convencional reforzado. El
espesor total de concreto es de 50 cm.
instalación del concreto debe ser en dos (2) pasadas cada un espesor de 10 cm.
 Cercha Metálica #70 (12.5 Kg/m), espaciados cada 1a 2 metros.
longitud. La funciónde estos pernos es crear un anillo de soporte reforzado.
 Enfilajes instalados e inyectados en tubería rígida (localizados según se requiera)
de 3 a 4 metros de longitud.
 En caso de obtener deformaciones altas, se hace la provisión de una tercera
etapa de excavación. La excavación y construcción de solera con concreto
convencional reforzado. El espesor total de concreto es de 45 cm.

PROYECTO DE TUNEL “EL TOYO”
CONSIDERACIONES PARA EL PROCEDIMIENTO
CONSTRUCTIVO Y EQUIPOS RECOMENDADOS
PARA EL TUNEL EL TOYO

TRAMO I: DISEÑO GEOMETRICO DEL TUNEL DE SERVICIO Y RESCATE

PADRON CICLO x TIPO DE MACIZO ROCOSO

El Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles o NATM
(1948-1964)
Considerado por algunos como una clasificación geomecánica más, toca hablar del Nuevo Método
Austríaco de Construcción de Túneles, también conocido por las siglas NATM (New Austrian
Tunelling Method).
En primer lugar se debe puntualizar que no se trata de un “método“, propiamente dicho, sino más
bien de una “filosofía de actuación“, llegando a decir Bieniawski en 1989 que “the word -method- in
the english translation is unfortunate, as it has led to some misunderstanding”.
Lo bueno del método:
• Es económico, un revestimiento flexible casi siempre es más barato que uno rígido.
• Altera poco el terreno, lo cual viene bien a largo plazo.
Lo malo del método:
• Exige un cuidado continuo, saber hacerlo bien, estar pendiente en todo momento a
la instrumentación… y usarlo dónde toca, y eso suele excluir a los suelos blandos.
Como pasa siempre, el método tiene defensores y detractores y, por extraño que pueda parecer,
todos tienen razón, el problema no es el método en sí, el problema es usarlo mal, aunque según
algunos esto no sea más que una mala excusa.

El NATM que nació en Europa en la segunda mitad del siglo XX y que consiste en una excavación
secuencial a sección completa de la sección transversal de un túnel, seguida cíclicamente de la
instalación inmediata de un revestimiento primario temporal que combina el uso de hormigón
proyectado reforzado con mallas o fibras metálicas, pernos de anclaje, marcos metálicos y/o barras
de refuerzo, otorgando al terreno un confinamiento suficiente para que éste pueda participar
activamente en la función portante.
El método consiste en la excavación a sección completa y un inmediato sostenimiento primario de
hormigón proyectado con un mallazo, y la colocación de bulones como elementos de sujeción de
cuñas, y cerchas metálicas de sujeción, si son necesarias.
A continuación y en una segunda fase, una vez llegado al equilibrio del esfuerzo de este primer
sostenimiento, se coloca el revestimiento definitivo, cuya misión no es otra que la de soportar las
cargas del terreno una vez deteriorado este sostenimiento primario.
Desde el punto de vista teórico, el método se apoya en la en la solución analítica de las
deformaciones y desplazamientos producidos por un hueco circular en un medio elástico sometido a
tensiones vertical (pz) y horizontal (px).

 Método simple: usa maquinaria convencional y mano de obra local.
 Proporciona flexibilidad para atacar por varios frentes los túneles en la medida de
tener puntos de acceso.
 Programa de túneles de estaciones puede manejarse independiente de los
túneles de interestación.
 Con 8 frentes de trabajo ( 4 piques y galerías) se logra avances de al menos 18
metros por día, similar a una tunelera.
 Se puede construir por tramos y con más de un Contratista, a diferencia de un
sistema con tuneleras en que sólo podría haber un contratista por tunelera.
 Si hay atrasos por singularidades del suelo, debilidades de un contratista de un
tramo, se puede corregir mediante piques adicionales, o el traspaso de obras a
otro contratista con mejores avances.
¿Porqué y cuándo usar el N.A.T.M.?

EQUIPOS RECOMENDADOS
SEGUN PROCEDIMIENTO
CONSTRUCTIVO
Limpieza Haggloader m3/h 100
Perfuracion roca normal ml/h 120
Perfuracion roca fragmentado ml/h 100
Instalacion pernos resina y jumbo pernos/h 16
Instalacion pernos com lechada sin agua pernos/h 12
Instalacion pernos com lechada con agua pernos/h 10
Lanzado shotcrete sin agua m3/h 10
Lanzado shotcrete con agua m3/h 8
carguio roca normal tempo h 1
Carguio roca fragmentada tempo h 1,33

1. JUMBO ELECTRO HIDRAULICO DE 02 BRAZOS

ALCANCE MAXIMO DE PERFORACION DEL JUMBO ELECTRO HIDRAULICO ES DE 8.42 M.

EL JUMBO DE DOS BRAZOS DT 820 SC EN PLENO TRABAJO DE PERFORACION

2. CARGADOR CONTINUO PARA TUNEL (HAGGLOADER)

CARGADOR CONTINUO O HAGGLOADER EN PLENO TRABAJO

2. SCOOPTRAM DE 6 YD3 (CARGADOR DE BAJO NIVEL)

DETALLES DEL SCOOPTRAM (MEDIDAS)

3. EXCAVADORA HIDRAULICA SOBRE LLANTAS DE 16 – 18 TN CON ROMPEDOR
HIDRAULICO ADAPTADO A LA EXCAVADORA

EXCAVADORA EN EL PROCESO DE DESQUINCHE

4. CABEZA FRESADORA SIMEX TF 800

5. MANIPULADOR TELESCOPICO – TELEHANDER (CAT TL 943)

COLOCANDO PERNOS CON TELEHANDER

USO DEL TELEHANDER PARA COLOCAR CIMBRAS METALICAS

USO DEL TELEHANDER PARA IZAR CIMBRAS METALICAS

6. ROBOT DE PROYECTAR CONCRETO DE 6 – 15 M3/HR

ROBOT SHOCRETERO ABASTECIDO POR MIXER

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