Diapositivas preparadas para la clase de Geología Aplicada en el Posgrado de Geotecnia de la UAQ.

1. Túneles
Ing. Rafael Ortiz Hernández
Geología Aplicada a la Ingeniería Civil
División de Investigación y Posgrado Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Querétaro

2. ¿Qué es un túnel?
• Vía subterránea abierta artificialmente para el paso de
personas y vehículos.
• Instalación cubierta y alargada que comunica dos puntos y
sirve para distintos fines:
• Transporte de vehículos (coches, ferrocarriles, etc.)
• Comunicaciones (fibra óptica, telefonía, etc.)
• Sustancias (acueductos, oleoductos, gasoductos, etc.)
– Diccionario de la Lengua Española,
Real Academia Española

3. ¿Cómo se hace un túnel?
¡Con mucho cuidado!

4. ¡Como hacer un túnel en 18 pasos!
El manual de la SCT señala 18 pasos importantes para la
construcción de un túnel carretero:
1. Diseño del trazo y de la sección tipo
2. Estudios geológicos y exploración
3. Integración geotécnica y diseño preliminar
4. Proyecto de los tajos de acceso
5. Análisis de excavaciones
6. Métodos de excavación
7. Sistemas de sostenimiento
8. Análisis y diseño estructural de los Sistemas de
Sostenimiento
9. Túneles falsos y Boquillas
10. Revestimiento definitivo y Acabados
11. Drenaje e Impermeabilización
12. Seguimiento Técnico y Auscultación
13. Control de Calidad
14. Iluminación
15. Ventilación
16. Sistemas de Seguridad y Control
17. Seguridad e Higiene en la Obra
18. Operación y Mantenimiento

5. ¡Como hacer un túnel en 3 pasos!
Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo
resume más “sencillo”:
1. Diseño
2. Construcción
3. Instrumentación

6. ¡Como hacer un túnel en 10 pasos!
Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo
resume más “sencillo”:
1. Diseño
a) Estudios previos
b) Procedimientos de análisis
2. Construcción
a) Máquinas de tuneleo
b) Etapas
3. Instrumentación
a) Túnel
b) Terreno vecino
c) Estructuras vecinas

7. ¡Como hacer un túnel en 26 pasos!
Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo en una conferencia lo
resume más “sencillo”:
1. Diseño
a) Estudios previos
i. Geométricos
ii. Topográficos
iii. Geológicos
iv. Geotécnicos
b) Procedimientos de análisis
i. Empíricos
ii. Analíticos
iii. Computacionales
2. Construcción
a) Máquinas de tuneleo
i. Rocas
ii. Suelos
b) Etapas
i. Trazar
ii. Habilitar accesos
iii. Excavar
iv. Rezagar
v. Estabilizar el frente
vi. Soportar las paredes
vii. Revestir
3. Instrumentación
a) Túnel
b) Terreno vecino
c) Estructuras vecinas

8. Trazar
Ubicar topográficamente en campo la trayectoria del túnel y sus conexiones.
Trazo del túnel en planta

9. Planta general y
Alineamiento horizontal
Perfil longitudinal con
alineamiento vertical
Túnel de Carretera
Atizapán-Atlacomulco

10. Habilitar accesos
El emportalamiento de una ladera (en terrenos a desnivel) o la
construcción de lumbreras/pozos verticales en terrenos planos.
Tajo de acceso con boquillas prolongadas, sin y con relleno

11. Emportalamiento de Túnel
del Toyo, Colombia

12. Lumbrera de Túnel
Emisor Oriente, México

13. Lumbrera de Túnel
Seattle, EEUU

14. Excavar
Es la separación del material que ocupa el espacio el túnel por medios
mecánicos.

15. Formas de excavar
• Barrenación y voladura
• Fresadoras
• Tuneladoras (discos, picas o dientes)
• Herramientas manuales
• Martillos neumáticos

16. Barrenación y voladura

17. Fresadoras

18. Tuneladora de discos

19. Tuneladora de picas

20. Tuneladora de dientes

21. Herramientas manuales

22. Martillos neumáticos

23. Rezagar
Es la remoción y extracción del material excavado fuera del área del
trabajo.

24. Formas de rezagar
• Vagonetas
• Bandas
• Bombeo (centrífugas y de pistón)

25. Rezago por vagonetas

26. Rezago por bandas

27. Rezago por centrifugas

28. Estabilizar el frente
El frente de excavación debe estabilizarse para que no colapse por la
inestabilidad del cambio de esfuerzos.

29. Formas de estabilizar el frente
• Rejillas
• Gatos frontales
• Aire comprimido
• Lodo
• Suelo en proceso de excavación

30. Rejillas

31. Gatos frontales

32. Aire comprimido
(tuneleo hiperbárico)

33. Lodos

34. Suelo en proceso de excavación

35. Soportar las paredes
Una vez excavado el túnel, si las paredes presentan inestabilidad, se
refuerzan con sistemas de contención.

36. Formas de soportar las paredes
• Concreto lanzado
• Concreto lanzado y anclas
• Marcos metálicos y retaque de madera
• Marcos metálicos y concreto lanzado
• Marcos metálicos y polines de madera
• Dovelas

37. Concreto lanzado

38. Concreto lanzado y anclas

39. Marcos metálicos y retaque de madera

40. Marcos metálicos y concreto lanzado

41. Marcos metálicos y polines de madera

42. Dovelas

43. Revestir
Se reviste el túnel para proteger los soportes de las paredes del ambiente
del túnel.

45. Recubrimiento de Túnel
Emisor Oriente, México

46. ¿Cuál es la relación de la
Geología con un túnel?
Están íntimamente relacionados

47. Geología y los túneles
Los túneles son el tipo de obras de ingeniería que mayor
conocimiento geológico del terreno demandan, tanto para ser
proyectados como construidos, de forma segura y, en la medida de lo
posible, económica.
A mayor grado de complejidad geológica del sitio donde será
alojado el túnel, mayor será la incertidumbre para el pronóstico de
los problemas geológicos esperados y, por lo tanto, la cantidad de
estudios de campo y el grado de detalle deberá ser también mayor.

48. Geología y los túneles
Las condiciones geológicas son
diversas, como las que se
asocian:
• Los diferentes tipos de litología
(rocas y/o suelos)
• Condiciones de las
discontinuidades
• Zonas mayores de debilidad
como fallas
• Grado de alteración de los
materiales, etc.
Situación en la que los esfuerzos tectónicos afectan la estructura del macizo.

49. Modelo Geológico, túnel El Sinaloense L = 2.794 km, Carretera Durango-Mazatlán

50. Modelo Geológico, túnel El Sinaloense L = 2.794 km, Carretera Durango-Mazatlán

51. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

52. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

53. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

54. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

55. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

56. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

57. Algunos de los factores más importantes que
influyen en el comportamiento de una obra
subterránea durante su construcción, mismos que al
final representarán los condicionantes básicos
para una correcta modelización:
• Forma del terreno en superficie y la profundidad
del túnel
• Dimensiones del túnel y geometría de las
distintas secciones de avance de la excavación
• Condiciones de flujo de agua subterránea
• Estados de esfuerzos iniciales (σ1, σ2, σ3)
• Disposición de las distintas unidades geológicas
o geotécnicas
• Presencia y tipo de elementos estructurales del
sostenimiento

58. ¿Cuál es la relación de la
Geotecnia con un túnel?
Están íntimamente relacionados

59. La Geotecnia y los Túneles
La integración geotécnica para una obra subterránea debe tener
en cuenta los resultados obtenidos de los levantamientos
topográficos, los estudios geológicos, geofísicos, los sondeos
de exploración, las caracterizaciones geotécnicas de campo y
los resultados de ensayos realizados tanto in situ como en
laboratorio.
Toda esta información, adecuadamente procesada (integrada),
deberá contribuir a un prediseño óptimo de la excavación y de
los sistemas de soporte, estabilización y reforzamiento del
terreno que alojará al túnel.

60. El modelo geológico presentado El modelo geotécnico generado a
partir de la información geológica

61. Recomendaciones de sostenimiento para tuneles según Bieniawski (1989)

62. Un caso de éxito
Túnel “El Sinaloense” – Autopista Durango-Mazatlán

63. Datos generales
• Se ubica en el tramo III de la autopista Durango-Mazatlán en
los kilómetros 168+400 y termina en el km 186+300.
• Longitud de 2,794 m, el segundo túnel carretero más largo de
México (al 2013).
• Se trabajo de 2009 al 2011.
• Ubicado en la subprovincia de mesetas y cañadas del sur de la
Sierra Madre Occidental.

64. Corredor Matamoros-Mazatlán
Autopista Durango-Mazatlán
Durango
Mazatlán

65. Ubicación del Tramo III de la Autopista Durango-Mazatlán
Plano geológico de túnel el Sinaloense

66. Sección longitudinal geológica de túnel “El Sinaloense”
Sección longitudinal geofísica (geoeléctrica) de túnel “El Sinaloense”

67. Sección longitudinal geológica de túnel “El Sinaloense”
Sección longitudinal geotécnica de túnel “El Sinaloense”

68. Sección longitudinal geotécnica de túnel “El Sinaloense”
Descripciones de Unidades Geotécnicas del Túnel
Detalle de las descripciones

69. Procedimiento constructivo de acuerdo a condición geotécnica

70. Método fotográfico para
determinar RQD en la pared
excavada. Caído de origen estructural, causado por
pseudoestrafiticación y diaclasas en el Túnel.

71. Estado de discontinuidades
Salida de agua en clave del túnel

72. Ejemplo de Condición A. Túnel “El Sinaloense” portal
Durango, roca de calidad Muy
buena, Clase I.

73. Ejemplo de condición B. Túnel "El Sinaloense" portal
Mazatlán, roca de calidad buena, clase II.

74. Ejemplo de tratamiento en condición C(+). Anclas radiales
colocadas en patrón 2.0x2.0.

75. Ejemplo condición C(-). Túnel “El Sinaloense”, excavación
de media sección en 2 etapas, se observa el avance en
hastiales y el piloto central.

76. Ejemplo de condición D(+). Túnel “El Sinaloense” portal
Mazatlán, roca de calidad mala-regular, clase IV

77. Ejemplo de condición D(-). Túnel “El Sinaloense” portal
Mazatlán.

78. Ejemplo de condición E. Túnel “El Sinaloense” portal
Durango. Avance en dos fases hastiales y piloto central.

79. Sección longitudinal geológico de túnel “El Sinaloense”
Sección longitudinal geológico real de túnel “El Sinaloense”
Solo se encontraron toba lítica y andesita

80. Sección longitudinal geológico real de túnel “El Sinaloense”
Solo se encontraron toba lítica y andesita
Sección longitudinal geotécnica real de túnel “El Sinaloense”
Solo se encontraron toba lítica y andesita

81. Un caso de fracaso
El colapso del túnel Xicontepec I – Autopista México-Tuxpan

82. Túnel Xicotepec I,

83. Datos generales
• Se ubica en la autopista México-Tuxpan en el kilómetro
154+200.
• La falla se provoco durante la excavación de la media sección
superior del túnel izquierdo entre marzo y mayo de 2012.
• Durante la excavación se atravesó un estrato de arcillas
blandas entre la caliza de basamento y columnas basálticas
superiores.
• La excavación, junto con un intenso periodos de lluvias provoco
el colapso en el interior del túnel con una movilización de masa
hasta la superficie con una falla de ladera.

84. Interpretación geológica anterior al colapso Esquema del colapso

85. Vista de la zona del colapso sobre la ladera.
Frente del túnel antes del colapso en el que se aprecia el
contacto entre los basaltos columnares y el estrato arcilloso

86. Detalle la zona de clave de la galería izquierda en el que pueden
verse restos del túnel original (cerchas metálicas y micropilotes).

87. Malla con cortes que muestran los estratos y la posición de los túneles
Contornos de igual magnitud de deformación incremental de
corte sobre una sección en la estación 654+590

88. Procedimiento constructivo
propuesto para el rescate del tramo
colapsado del túnel izquierdo
Procedimiento de excavación y
sostenimiento en el modelo de
diferencias finitas
Vista de las galerías laterales al
inicio de su construcción

89. Vista aérea de la plataforma posterior a la finalización de los trabajos de inyección.

90. Vista de la plataforma de inyecciones encima del túnel.

92. Bibliografía
• Dirección General de Servicios Técnicos (2016) Manual de Diseño y
Construcción de Túneles de Carretera. Secretaria de Comunicaciones y
Transportes.
• Schmitter M. d. C., J. J. (2016) Túneles en Suelos Blandos (Experiencias
en la Ciudad de México). Grupo Visión Prospectiva México 2030. CICM.
• Schmitter M. d. C., J. J. (2021) Aspectos Generales Sobre Túneles. Ciclo
de Conferencias Ingeniería Geotécnica.
• Torres L., M. (2013) Excavación y Sostenimeinto Primario en Interior del
Túnel “El Sinaloense”. Tesis de Licenciatura. FI UNAM División de
Ciencias de la Tierra.
• Sánchez R., F. (2016) El colapso del túnel Xicotepec I Una investigación
sobre sus causas y un estudio para su reconstrucción. Revista de Obras
Públicas Año 2016, Número 3579.