Geotecnia aplicada a la construcción de túneles,

ASIGNATURA DE OBRAS GEOTÉCNICAS
GEOTECNIA APLICADA
A LA CONSTRUCCIÓN
DE TÚNELES
SALVADOR NAVARRO CARRASCO
RAÚL PRIMITIVO ORTIZ GÓMEZ
JUAN ANTONIO RUIZ MARÍN

GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES
Salvador Navarro Carrasco – Raúl Primitivo Ortiz Gómez – Juan Antonio Ruiz Marín
PRÓLOGO
A la hora de enfrentarnos a un tema tan extenso como la geotecnia de túneles nos encontramos un
tanto desbordados en un primer momento. Por eso decidimos segmentar la geotecnia aplicada a la
construcción de túneles en tres partes diferenciadas para tratarlas personalmente, dando formato a este
trabajo.
En la PARTE I “GENERALIDADES EN LA GEOTECNIA DE TÚNELES” se hace referencia a algunos de los
aspectos más generales de los túneles. Se comienza por una breve introducción a la historia de la técnica
de construcción de túneles y a las fuerzas resistentes que deben de hacer frente los túneles. A continuación
se desarrolla el grueso del capítulo relatando el estado del arte en la geotecnia de túneles, desde las
distintas clasificaciones de roca desde el punto de vista de la geotecnia a los distintos métodos de
sostenimiento. Para finalizar se hace una breve introducción a la hidrogeología de túneles y la maquinaria
de perforación y construcción de los mismos.
La PARTE II “GEOTECNIA DE TÚNELES EN ROCA DURA” comienza con unas generalidades acerca de la
excavación de túneles y su sostenimiento. Se continúa con el Nuevo Método Austriaco y los métodos de
sostenimiento para finalizar con una serie de recomendaciones para la correcta ejecución de túneles.
La PARTE III “GEOTECNIA DE TÚNELES EN ROCA BLANDA” presenta en el primer capítulo una
introducción acerca de los métodos de construcción de túneles en terrenos no cohesivos. Continúa con una
descripción de la maquinaria utilizda en su construcción y de los llamados “falsos túneles”, para acabar
describiendo los métodos del sostenimiento del frente.
Por último, se presenta un ANEXO en el que se desarrolla a modo de ejemplo de empleo de los
conocimientos expuestos anteriormente un breve dossier acerca de la construcción del Túnel de Brotons
en la C‐47 (Torrelló‐Olot).
Salvador Navarro Carrasco
Raúl Primitivo Ortiz Gómez
Juan Antonio Ruiz Marín

PARTE I
GENERALIDADES EN
LA GEOTECNIA DE
TÚNELES

PARTE I
1
ÍNDICE DE CAPÍTULOS
1.‐ HISTORIA DE LOS TÚNELES Y SU EVOLUCIÓN HISTÓRICA ............................................................................... 9
1.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................... 9
1.2.‐ EL TÚNEL EN LA HISTORIA DE LOS PUEBLOS ................................................................................................................. 9
1.3.‐ MÉTODOS DE EXCAVACIÓN ................................................................................................................................... 15
1.4.‐ RECONOCIMIENTO DEL TERRENO ........................................................................................................................... 17
2.‐ LA DINÁMICA DE AVANCE DEL TÚNEL ......................................................................................................... 20
2.1.‐ LOS CONCEPTOS BÁSICOS ..................................................................................................................................... 20
2.2.‐ EL MEDIO ......................................................................................................................................................... 23
2.3.‐ LA ACCIÓN ........................................................................................................................................................ 25
2.4.‐ LA REACCIÓN ..................................................................................................................................................... 26
3.‐ EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES BASADO EN LAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS ................................. 32
3.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 32
3.2.‐ CLASIFICACIONES ANTIGUAS ................................................................................................................................. 33
3.2.1.‐ Terzaghi (1946) ...................................................................................................................................... 33
3.2.2.‐ Lauffer .................................................................................................................................................... 35
3.2.3.‐ Deere et al (1967) .................................................................................................................................. 36
3.2.4.‐ RSR (Rock Structure Ratio) (Wickham, Tiedemann and Skinner, 1972) ................................................. 38
3.3.‐ CLASIFICACIONES MODERNAS................................................................................................................................ 40
3.3.1.‐ Sistema RMR (Bieniawski 1973, 1989) ................................................................................................... 40
3.3.2.‐ Sistema Q (Barton, Lien y Lunde, 1974) ................................................................................................. 45
3.3.3.‐ Comentarios finales ............................................................................................................................... 55
4.‐ TENSIONES EN TORNO A EXCAVACIONES.................................................................................................... 58
4.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 58
4.2.‐ ESTADO DE TENSIONES IN SITU .............................................................................................................................. 58
4.3.‐ ESTADO DE TENSIONES Y RESISTENCIA DE MACIZOS ROCOSOS ...................................................................................... 61
5.‐ RESISTENCIA DE LA ROCA MATRIZ Y MACIZOS ROCOSOS ............................................................................ 71
5.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 71
5.2.‐ INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL SOBRE LA ROCA MATRIZ ............................................................................................. 71
5.3.‐ CRITERIO DE ROTURA PARA LA ROCA MATRIZ ............................................................................................................ 72
5.4.‐ JUNTAS EN EL MACIZO ROCOSO ............................................................................................................................. 76
6.‐ INTERACCIÓN TÚNEL‐SOSTENIMIENTO ....................................................................................................... 84
6.1.‐ INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 84
6.2.‐ DETERMINACIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA ....................................................................................................... 87
6.2.1.‐ Elasticidad. Túnel circular en deformación plana .................................................................................. 87
6.2.2.‐ Elasticidad. Excavación esférica ............................................................................................................. 90
6.2.3.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb ............ 92
6.2.4.‐ Elastoplasticidad. Cavidad esférica. Criterio de rotura de Mohr‐Coulomb ............................................ 99
6.2.5.‐ Elastoplasticidad. Túnel circular en deformación plana. Criterio de rotura de Hoek‐Brown ............... 105
6.2.6.‐ Comentarios finales ............................................................................................................................. 108
6.3.‐ DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE CONFINAMIENTO (O CURVA DE SOSTENIMIENTO) ...................................................... 109
6.3.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 109
6.3.2.‐ Revestimiento anular de hormigón ...................................................................................................... 111

PARTE I
2
6.3.3.‐ Cerchas metálicas ................................................................................................................................ 111
6.3.4.‐ Bulones ................................................................................................................................................ 112
6.4.‐ DETERMINACIÓN DE LA DEFORMACIÓN PREVIA A LA INSTALACIÓN DEL SOSTENIMIENTO. UTILIZACIÓN DEL MÉTODO DE
CONVERGENCIA‐CONFINAMIENTO ....................................................................................................................................... 114
6.4.1.‐ Macizo En Régimen Elástico. Túnel Sin Revestir .................................................................................. 114
6.4.2.‐ Macizo en régimen elastoplástico. Túnel sin revestir .......................................................................... 115
6.4.3.‐ Túnel revestido ..................................................................................................................................... 115
7.‐ DRENAJE E IMPERMEABILIZACIÓN DURANTE LA CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN DE TÚNELES ................ 118
7.1.‐ ASPECTOS GENERALES. IMPORTANCIA DEL AGUA .................................................................................................... 118
7.2.‐ FLUJO DE AGUA HACIA UN TÚNEL ......................................................................................................................... 121
7.3.‐ EFECTO DE FLUJO SOBRE LAS CONDICIONES MECÁNICAS DE LOS TÚNELES ..................................................................... 126
7.4.‐ PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA DURANTE LA CONSTRUCCIÓN ..................................................................................... 143
7.5.‐ PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA DURANTE LA EXPLOTACIÓN ........................................................................................ 147
8.‐ MAQUINARIA DE CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES ........................................................................................ 153
8.1.‐ INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ 153
8.2.‐ MÉTODOS DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES MEDIANTE PERFORACIÓN Y VOLADURA ............................................................ 153
8.2.1.‐ Maquinaria de perforación .................................................................................................................. 157
8.2.2.‐ Explosivos y detonadores ..................................................................................................................... 158
8.3.‐ EXCAVACIÓN CON MÁQUINAS INTEGRALES: TOPOS Y ESCUDOS ................................................................................... 159
8.3.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 159
8.3.2.‐ Topos ................................................................................................................................................... 160
8.3.2.1.‐ Descripción de la máquina .............................................................................................................................. 161
8.3.2.2.‐ Partes de un topo ............................................................................................................................................ 161
8.3.2.2.1.‐ Cabeza ..................................................................................................................................................... 161
8.3.2.2.2.‐ Grippers ................................................................................................................................................... 167
8.3.2.2.3.‐ Cilindros de empuje ................................................................................................................................ 167
8.3.2.2.4.‐ Back‐up .................................................................................................................................................... 167
8.3.2.3.‐ Guiado ............................................................................................................................................................. 169
8.3.2.4.‐ Limitaciones de utilización .............................................................................................................................. 169
8.3.2.5.‐ Rendimientos .................................................................................................................................................. 169
2.5.1. Factores que controlan el rendimiento de las máquinas tuneladoras ........................................................... 170
8.3.2.6.‐ Estimación del avance en roca dura ................................................................................................................ 171
8.3.2.6.1.‐ Índice de perforabilidad (D.R.I.) .............................................................................................................. 171
8.3.3.‐ Escudos ................................................................................................................................................ 177
8.3.3.1.‐ Partes de un topo ............................................................................................................................................ 177
8.3.3.1.1.‐ Cabezas o elemento excavador ............................................................................................................... 177
8.3.3.1.2.‐ Cuerpo de mando y controles ................................................................................................................. 178
8.3.3.1.3.‐ Cilindros de empuje y erector de dovelas ............................................................................................... 178
8.3.3.1.4.‐ Back‐up .................................................................................................................................................... 180
8.3.3.2.‐ Tipología actual ............................................................................................................................................... 181
8.3.3.3.‐ Escudos abiertos ............................................................................................................................................. 182
8.3.3.4.‐ Escudos cerrados ............................................................................................................................................ 184
8.3.3.4.1. Escudos mecanizados de rueda con cierre mecánico ............................................................................... 185
8.3.3.4.2.‐ Escudos presurizados con aire comprimido ............................................................................................ 186
8.3.3.4.3.‐ Hidroescudos o escudos de bentonita (Slurry Shield) ............................................................................. 186
8.3.3.4.4.‐ Escudos de frente en presión de tierras .................................................................................................. 188
8.3.3.5.‐ Guiado ............................................................................................................................................................. 190
8.3.3.6.‐ Limitaciones de utilización .............................................................................................................................. 191
8.3.3.7.‐ Rendimientos .................................................................................................................................................. 191

PARTE I
3
8.3.4.‐ Dobles escudos ..................................................................................................................................... 191
8.3.4.1.‐ Descripción de la máquina .............................................................................................................................. 191
8.3.4.1.1.‐ Cabeza de corte ....................................................................................................................................... 191
8.3.4.1.2.‐ Escudo delantero..................................................................................................................................... 192
8.3.4.1.3.‐ Escudo trasero ......................................................................................................................................... 192
8.3.4.1.4.‐ Sistema principal de empuje ................................................................................................................... 192
8.3.4.2.‐ Modo de operación ......................................................................................................................................... 192
8.4.‐ MÁQUINAS ROZADORAS .................................................................................................................................... 193
8.4.1.‐ Introducción ......................................................................................................................................... 193
8.4.1.1.‐ Ámbito de utilización ...................................................................................................................................... 193
8.4.2.‐ Características generales ..................................................................................................................... 194
8.4.2.1.‐ Chasis y tren de rodaje .................................................................................................................................... 195
8.4.2.2.‐ Brazo y dispositivo de giro .............................................................................................................................. 195
8.4.2.3.‐ Equipo eléctrico .............................................................................................................................................. 196
8.4.2.4.‐ Sistema hidráulico ........................................................................................................................................... 196
8.4.2.5.‐ Cabeza de corte............................................................................................................................................... 197
8.4.2.6.‐ Sistema de recogida y carga ............................................................................................................................ 199
8.4.2.7.‐ Consola de control .......................................................................................................................................... 200
8.4.2.8.‐ Otros componentes adicionales ...................................................................................................................... 200
8.4.3.‐ Herramientas de corte ......................................................................................................................... 201
8.4.3.1.‐ Tipos de picas .................................................................................................................................................. 201
8.4.3.2.‐ Colocación de las picas .................................................................................................................................... 201
8.4.3.3.‐ Número y tamaño de las picas ........................................................................................................................ 202
8.4.3.4.‐ Portapicas ....................................................................................................................................................... 203
8.4.3.5.‐ Corte con chorro de agua ................................................................................................................................ 203
8.4.4.‐ Tipos de rozadoras ............................................................................................................................... 204
8.4.4.1.‐ Rozadoras de brazo ......................................................................................................................................... 205
8.4.4.2.‐ Rozadora de tambor ....................................................................................................................................... 205
8.4.4.3.‐ Rozador de cadenas ........................................................................................................................................ 205
8.4.5.‐ Criterios de selección de rozadores ...................................................................................................... 208
8.4.5.1.‐ Geometría de la excavación ............................................................................................................................ 208
8.4.5.2.‐ Características geomecánicas de las rocas ...................................................................................................... 208
8.4.5.3.‐ Cálculo de rendimientos ................................................................................................................................. 209
8.4.6.‐ Ventajas que ofrece el empleo de rozadoras ....................................................................................... 210
8.4.7.‐ Operatividad ........................................................................................................................................ 210
8.4.7.1.‐ Excavación del frente de avance ..................................................................................................................... 210
8.4.7.2.‐ Corte de rocas blandas .................................................................................................................................... 211
8.4.7.3.‐ El corte en materiales medios a duros ............................................................................................................ 212
8.4.7.4.‐ Perfilado .......................................................................................................................................................... 212
8.4.7.5.‐ Corte selectivo en rocas mixtas ....................................................................................................................... 212

PARTE I
4
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. IMAGEN FICTICIA DEL TÚNEL IDEADO POR THOMÉ DE GARAMOND BAJO LAS AGUAS DEL CANAL DE LA MANCHA (PROYECTO
PRESENTADO EN 1867 EN LA EXPOSICIÓN UNIVERSAL). .......................................................................................................... 9
FIGURA 2. GRABADO EXTRAÍDO DE LA OBRA DE DE RE METALLICA DEL AUTOR ALEMÁN GEORGIUS AGRICOLA ÉSTA, SIRVIÓ DE REFERENCIA
COMO MANUAL DE CONSULTA DURANTE LOS S. XVI‐XVII ..................................................................................................... 11
FIGURA 3. IMÁGENES DE LA ANTIGUA MINA DE DAROCA ............................................................................................................... 12
FIGURA 4. IMAGEN CORRESPONDIENTE A LA BENDICIÓN DE LOS RAÍLES DE LA VÍA DEL TÚNEL DE PERRUCA EN LEÓN (1884) ........................ 13
FIGURA 5. A LA IZQUIERDA UNA IMAGEN DE ÉPOCA DEL TÚNEL CONSTRUIDO BAJO LAS AGUAS DEL RÍO TÁMESIS Y A LA DERECHA OTRA DEL
ESCUDO UTILIZADO Y PATENTADO POR BRUNEL PARA ESTE MISMO PROYECTO (1843) ................................................................ 13
FIGURA 6. ESQUEMA DE LOS DIFERENTES MÉTODOS CONSTRUCTIVOS NACIONALES ............................................................................. 16
FIGURA 7. VISTA EN PERSPECTIVA DE UNA MODERNA TUNELADORA QUE SE UTILIZARÁ PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA FUTURA LÍNEA 9 DE
METRO EN BARCELONA .................................................................................................................................................. 17
FIGURA 8. DIFERENCIAS ENTRE LA CONSTRUCCIÓN SUBTERRÁNEA Y DE SUPERFICIE. ............................................................................. 20
FIGURA 9. DEFINICIÓN GRAFICA DEL EFECTO ARCO. ...................................................................................................................... 21
FIGURA 10. LA FORMACIÓN DEL EFECTO ARCO SE HACE PATENTE POR LA RESPUESTA EN DEFORMACIÓN DE LA MASA ROCOSA DE LA
EXCAVACIÓN. ............................................................................................................................................................... 22
FIGURA 11. FACTORES DE LA EXCAVACIÓN. ................................................................................................................................. 23
FIGURA 12. EL MISMO MATERIAL PUEDE ALCANZAR LA ROTURA CON DIFERENTES TIPOS DE COMPORTAMIENTO DE ACUERDO CON EL RANGO DE
TENSIONES. .................................................................................................................................................................. 24
FIGURA 13. ZONAS CARACTERÍSTICAS EN LA EXCAVACIÓN DE UNA GALERÍA........................................................................................ 25
FIGURA 14. PROPAGACIÓN DE LA ZONA PERTURBADA DURANTE EL AVANCE DE LA EXCAVACIÓN. ............................................................ 26
FIGURA 15. RESPUESTA DE CARGA SOLIDA. ................................................................................................................................. 27
FIGURA 16. RESPUESTA COMO BANDA DE PLASTIFICACIÓN. ............................................................................................................ 27
FIGURA 17. TIPOS DE REACCIÓN. .............................................................................................................................................. 28
FIGURA 18. SOBREEXCAVACIÓN E INFRAEXCAVACIÓN. ................................................................................................................... 29
FIGURA 19. FRENTE ESTABLE. .................................................................................................................................................. 30
FIGURA 20. FRENTE NO ESTABLE. ............................................................................................................................................. 30
FIGURA 21. FRENTE INESTABLE................................................................................................................................................. 30
FIGURA 22. DISTINTAS CLASIFICACIONES SEGÚN AUTORLAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS ESTÁN ADAPTADAS A LOS MACIZOS ROCOSOS
(COMO CONTRAPOSICIÓN A LOS SUELOS). LA TRANSICIÓN SUELO‐ROCA ES SIEMPRE DIFUSA. EL TÉRMINO "ROCA BLANDA", BASTANTE
GENERALIZADO, DEFINE ESTA TRANSICIÓN. LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE, QU DE LA ROCA INTACTA PROPORCIONA UN CRITERIO,
UTILIZADO POR MUCHOS AUTORES, PARA CLASIFICAR LA ROCA (FIG.22). LOS CRITERIOS SON DISPARES PERO EN GENERAL SE ACEPTA QUE
RESISTENCIAS INFERIORES A 1 MPA SON YA TÍPICAS DE LOS SUELOS. ........................................................................................ 32
FIGURA 23. ESQUEMA DE TERZAGHI. ........................................................................................................................................ 33
FIGURA 24. CLASIFICACIÓN MODIFICADA POR DEERE ET AL (1970) SOBRE LA DE TERZAGHI. ................................................................ 34
FIGURA 25. TIEMPO DE ESTABILIDAD DE LA EXCAVACIÓN VS LONGITUD LIBRE. ................................................................................... 35
FIGURA 26. CLASIFICACIÓN RABCEWIC, MÜLLER. ........................................................................................................................ 36
FIGURA 27. OBTENCIÓN DEL RQD. RELACIÓN FACTOR DE CARGA DE TERZAGHI‐RQD. RELACIÓN RQD‐LUZ Y TÚNEL‐TIPO DE SOSTENIMIENTO.
................................................................................................................................................................................. 37
FIGURA 28. TABLA QUE RELACIONA EL RQD‐MÉTODO DE EXCAVACIÓN‐SISTEMAS DE SOPORTE ALTERNATIVOS. ...................................... 38
FIGURA 29. SQR. .................................................................................................................................................................. 39
FIGURA 30. SOSTENIMIENTO NECESARIO PARA CADA VALOR DE RSR ............................................................................................... 40
FIGURA 31. TABLA PARA OBTENER EL VALOR DEL RMR. ................................................................................................................ 41
FIGURA 32. SISTEMA RMR ..................................................................................................................................................... 43
FIGURA 33. SISTEMA RMR ..................................................................................................................................................... 44
FIGURA 34. TIEMPO DE ESTABILIDAD DE EXCAVACIONES SIN SOPORTE. ............................................................................................. 45
FIGURA 35. RECOMENDACIONES PARA EL SOSTENIMIENTO EN FORMA DE ARCO DE HERRADURA (10 M DE Φ, ΣV < 25 MPA). ..................... 45
FIGURA 36. ÍNDICES DE Q. ...................................................................................................................................................... 49

PARTE I
5
FIGURA 37. Q VS SPAN/ESR .................................................................................................................................................. 50
FIGURA 38. VALORES ORIENTATIVOS DE ESR EN FUNCIÓN DEL TIPO DE EXCAVACIÓN .......................................................................... 51
FIGURA 39. CLASIFICACIÓN DE BARTON PARA LOS CASOS ESTUDIADOS. ............................................................................................ 54
FIGURA 40. TABLA ALTERNATIVA PARA EL CÁLCULO DE JA. ............................................................................................................. 55
FIGURA 41.COMPARACIÓN DE LOS DISTINTOS FACTORES QUE APARECEN EN LAS CLASIFICACIONES DE BIENIAWSKI (RMR) Y BARTON (Q). .... 56
FIGURA 42. CORRELACIÓN ENTRE ÍNDICES Q Y RMR PARA EL TÚNEL DEL CADÍ. ................................................................................. 57
FIGURA 43. VARIACIÓN DE K CON LA PROFUNDIDAD (HOEK & BROWN) ........................................................................................... 59
FIGURA 44. TENSIÓN VERTICAL FRENTE A PROFUNDIDAD (HOEK & BROWN) ..................................................................................... 60
FIGURA 45. SOLUCIÓN PARA AL PROBLEMA DESCRITO (HOEK & BROWN) ......................................................................................... 62
FIGURA 46. ESTADO DE TENSIONES PRINCIPALES Y LÍNEAS DE CORRIENTE ENTORNO A UNA CAVIDAD CIRCULAR EXCAVADA EN MEDIO ELÁSTICO
PARA K = 0.5. LAS LÍNEAS DE TRAZO CONTINUO REPRESENTAN LAS TENSIONES PRINCIPALES MAYORES Y LAS DE TRAZO DISCONTINUO LAS
MENORES (HOEK & BROWN) .......................................................................................................................................... 63
FIGURA 47. INFLUENCIA DE LA GEOMETRÍA SOBRE EL ESTADO DE TENSIONES. COMPARACIÓN ENTRE EL CIRCULAR Y LOS RESTANTES PARA K = 0
(HOEK & BROWN) ........................................................................................................................................................ 64
FIGURA 48. GEOMETRÍA TÍPICA PARA TÚNELES DE ALCANTARILLADO Y TÚNELES DE CARRETERA O FERROCARRIL RESPECTIVAMENTE (HOEK &
BROWN) ..................................................................................................................................................................... 66
FIGURA 49. GEOMETRÍA “IDEAL” EN FUNCIÓN DE LOS ESTADOS DE TENSIONES EN CLAVE Y HASTIALES RESPECTIVAMENTE. .......................... 67
FIGURA 50. PROBLEMA PROPUESTO .......................................................................................................................................... 68
FIGURA 51. REPRESENTACIÓN DEL ESTADO DE TENSIONES EN CLAVE Y HASTIAL DERECHO PARA EL TÚNEL DESCRITO UTILIZANDO LA SOLUCIÓN DE
LA FIG. 3 Y SIENDO K = 0. ............................................................................................................................................... 69
FIGURA 52. A LA IZQUIERDA EJEMPLO DE UN TÚNEL SOMERO Y A LA DERECHA DE UN TÚNEL PROFUNDO ................................................. 71
FIGURA 53. . CRITERIOS DE ROTURA DE HOEK & BROWN Y MOHR‐COULOMB RESPECTIVAMENTE (ALONSO, 2002) ................................. 72
FIGURA 54. . CRITERIO DE ROTURA DE HOEK & BROWN Y ESTE MISMO, ADAPTADO AL PLANO DE MOHR, RESPECTIVAMENTE (ALONSO, 2002)
................................................................................................................................................................................. 74
FIGURA 55. VALORES DE M OBTENIDOS A PARTIR DE REGRESIÓN PARA GRANITO Y ARENISCA. ......................................................... 75
FIGURA 56. . REPRESENTACIÓN GRÁFICA TEÓRICA DE LA ECUACIÓN (1) PARA DISTINTOS VALORES DE 3Σ. FUNCIONA BIEN SI EL PLANO DE
ROTURA ESTÁ BIEN DEFINIDO ........................................................................................................................................... 78
FIGURA 57. REPRESENTACIÓN GRÁFICA TEÓRICA PARA VARIAS JUNTAS, CADA UNA REPRESENTADA CON UN COLOR. LA LÍNEA HORIZONTAL
REPRESENTA LA ROCA MATRIZ. TODO PARA UN 3ΣDETERMINADO............................................................................................ 79
FIGURA 58. ENSAYOS TRIAXIALES SOBRE PIZARRA Y SOBRE ARENISCA FRACTURADA (HOEK & BROWN). .................................................. 80
FIGURA 59. ANDESITA DE NUEVA GUINEA (HOEK & BRAY) ........................................................................................................... 81
FIGURA 60. TABLA QUE RELACIONA EL ÍNDICE DE CALIDAD DE LA ROCA CON LA LITOLOGÍA. PARA CADA CASO SE SEÑALAN LOS VALORES DE M Y S
RESPECTIVAMENTE (BIENIAWSKI, 1974) ........................................................................................................................... 82
FIGURA 61. CRITERIOS DE ROTURA EN FUNCIÓN DE LA LITOLOGÍA Y EL RMR O Q (BIENIAWSKI, 1974) .................................................. 83
FIGURA 62. ESQUEMA DE UNA SECCIÓN LONGITUDINAL DEL AVANCE DEL TÚNEL ................................................................................ 84
FIGURA 63. REPRESENTACIÓN DE LAS DISTINTAS CURVAS EN UN GRÁFICO PI VS UI ............................................................................... 85
FIGURA 64. DISTINTAS OPCIONES A LA HORA DE ELEGIR EL SOSTENIMIENTO....................................................................................... 86
FIGURA 65. TÚNEL CIRCULAR EN DEFORMACIÓN PLANA ................................................................................................................ 88
FIGURA 66. RELACIÓN DE TENSIONES EN FUNCIÓN DEL RADIO ........................................................................................................ 89
FIGURA 67. CURVA CARACTERÍSTICA DEL TÚNEL EN RÉGIMEN ELÁSTICO ............................................................................................ 90
FIGURA 68. ESQUEMA PARA EL PROBLEMA ELÁSTICO CON CAVIDAD ESFÉRICA .................................................................................... 90
FIGURA 69. ESQUEMA PARA EL PROBLEMA ELASTOPLÁSTICO .......................................................................................................... 92
FIGURA 70. TRAYECTORIA DE TENSIONES .................................................................................................................................... 94
FIGURA 71. RELACIONES TENSIÓN‐DEFORMACIÓN NORMALIZADAS.................................................................................................. 97
FIGURA 72. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE MOHR‐COULOMB ......................................................................................................... 99
FIGURA 73. FORMA DE HALLAR EL CU ....................................................................................................................................... 100
FIGURA 74. DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN FUNCIÓN DEL RADIO ................................................................................................. 103

PARTE I
6
FIGURA 75. COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTRIBUCIONES DE TENSIONES EN LOS CASOS ESFÉRICO Y CILÍNDRICO EN DEFORMACIÓN PLANA, EN
AUSENCIA DE SOSTENIMIENTO. ...................................................................................................................................... 104
FIGURA 76. EXTENSIÓN APROXIMADA DE LA CORONA DE PLASTIFICACIÓN EN UNA SECCIÓN LONGITUDINAL DE UN TÚNEL PARA LOS CASOS
INDICADOS ................................................................................................................................................................. 104
FIGURA 77. LEY DE PLASTICIDAD ............................................................................................................................................. 106
FIGURA 78. REPRESENTACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS EN BÓVEDA, CONTRABÓVEDA Y HASTIALES .......................................... 108
FIGURA 79. CARGA T QUE SOPORTA EL REVESTIMIENTO .............................................................................................................. 110
FIGURA 80. RIGIDEZ DEL REVESTIMIENTO ................................................................................................................................. 110
FIGURA 81. ACTUACIÓN CONJUNTA DE DISTINTOS TIPOS DE SOSTENIMIENTO ................................................................................... 110
FIGURA 82. DOVELAS Y JUNTAS .............................................................................................................................................. 112
FIGURA 83. CERCHAS ........................................................................................................................................................... 113
FIGURA 84. BULONES ........................................................................................................................................................... 113
FIGURA 85. REPRESENTACIÓN DE A(X) ..................................................................................................................................... 115
FIGURA 86. OBTENCIÓN DEL UD A PARTIR DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL TÚNEL .......................................................................... 116
FIGURA 87. RELACIÓN DE INFORMES DEDICADOS A DISTINTOS ÁMBITOS (MUIR WOOD & KIRKLAND, 1985) ........................................ 118
FIGURA 88. VARIABILIDAD DE TERRENOS ALUVIALES (JUVANN ET AL, 1985) .................................................................................... 120
FIGURA 89. DISPOSICIÓN DE SONDEOS (DODDS, 1982) .............................................................................................................. 121
FIGURA 90 A Y B. FILTRACIÓN RECOGIDA POR LOS TÚNELES DE LA RED DE FF.CC. DE JAPÓN (ISHIZAKI,1979) ........................................ 122
FIGURA 91. CÁLCULO DE CAUDALES FILTRADOS HACIA TÚNELES .................................................................................................... 123
FIGURA 92. CÁLCULO DE CAUDALES FILTRADOS HACIA TÚNELES .................................................................................................... 124
FIGURA 93. FILTRACIONES HACIA TÚNELES EN EL METRO DE ESTOCOLMO (BRUNE ET AL, 1980) ......................................................... 125
FIGURA 94. PREDICCIÓN DE CAUDALES INFILTRADOS A TRAVÉS ..................................................................................................... 126
FIGURA 95. RED DE CORRIENTE CON PROXIMIDAD DE UN TÚNEL DE DRENAJE (OTEO, 1982) .............................................................. 127
FIGURA 96. EMPUJES DEL AGUA EN EL REVESTIMIENTO DE UN TÚNEL CON TÚNEL DE DRENAJE (OTEO, 1982) ........................................ 128
FIGURA 97. CARGAS SOBRE EL REVESTIMIENTO ORIGINADAS POR EL AGUA (ATKINSON & MAIR,1983) ................................................ 129
FIGURA 98. CARGAS SOBRE EL REVESTIMIENTO ORIGINADAS POR EL AGUA (ATKINSON & MAIR,1983) ................................................ 130
FIGURA 99. INFLUENCIA DE LA FILTRACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL TÚNEL ......................................................................... 130
FIGURA 100. ANÁLISIS ELÁSTICO CON FLUJO ............................................................................................................................. 131
FIGURA 101 A. ANÁLISIS ELASTOPLÁSTICO CON FLUJO ................................................................................................................. 132
FIGURA 102 A. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) .................................................................................................................. 133
FIGURA 103 B Y C. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) ............................................................................................................. 133
FIGURA 104 D Y E. (REMBO FACCIO Y RIBACCHI, 1984) ............................................................................................................. 133
FIGURA 105 A Y B. (JIMÉNEZ SALAS Y SERRANO, 1984) .............................................................................................................. 134
FIGURA 106. CONCLUSIONES. ................................................................................................................................................ 134
FIGURA 107. ALTERNATIVAS DE DRENAJE E INYECCIÓN DE UN TÚNEL ............................................................................................. 135
FIGURA 108. ALTERNATIVAS DE DRENAJE E INYECCIÓN DE UN TÚNEL (CONTINUACIÓN) ..................................................................... 137
FIGURA 109. ASIENTO NO DRENADO Y POR CONSOLIDACIÓN (ARCILLA ALUVIAL). (GLASSOP + FERMER, 1975) ...................................... 138
FIGURA 110. CAM‐CLAY MOD + CONSOLIDACIÓN (SENEVIRATNE + GUNN, 1985) ........................................................................... 139
FIGURA 111. SEKIGUCHI‐OHITA + CONSOLIDACIÓN (OHTA ET AL, 1985; ICONMIG. NAGOYA) ........................................................ 140
FIGURA 112. CONSOLIDACIÓN DE SEMIESPACIO ELÁSTICO INDUCIDA POR UN SUMIDERO PUNTUAL. PERMEABILIDAD ANISOTRÓPICA (BOOKER +
CARTER, 1987) .......................................................................................................................................................... 141
FIGURA 113. ASIENTOS EN SUPERFICIE ORIGINADOS POR UN SUMIDERO PUNTUAL ............................................................................ 142
FIGURA 114. ASIENTOS EN SUPERFICIE ORIGINADOS POR UN SUMIDERO PUNTUAL (CONT.) ................................................................ 142
FIGURA 115. TRATAMIENTO DE TÚNELES EN HONG‐KONG (MC FEATH SMITH + HASWELL, 1985) ..................................................... 143
FIGURA 116. METRO DE MILÁN. ESQUEMA DE TRATAMIENTO (TORNAGHI + CIPPO, 1985) .............................................................. 143
FIGURA 117. TÚNEL LONG, CONGO‐OCÉANO, A = 40 M2 Y L = 4.6 KM (LEPETIT + CHAPEAU, 1985) ................................................. 144
FIGURA 118. DRENAJE EN EL TÚNEL DE DU TOITSKLOO, SUDÁFRICA (BÜTTER, 1987) ....................................................................... 145
FIGURA 119. TÚNEL DE KOKUBU (TOKYO). ESQUEMA DE DRENAJE (FUJIMORI ET AL, 1985) .............................................................. 146

PARTE I
7
FIGURA 120. TÚNEL DE SEIKAN (MEGAW + BARLETT, 1981) ...................................................................................................... 147
FIGURA 121. ESQUEMA DE SISTEMA DE DRENAJE UTILIZADO EN TÚNELES DE LA AUTOPISTA CAMPOMANES‐LEÓN ................................... 148
FIGURA 122. DRENAJE (MALLA TRIDIMENSIONAL) E IMPERMEABILIZACIÓN (MEMBRANA IMPERMEABLE PVC); BERKHOUT ET AL, 1987 .... 149
FIGURA 123. METRO DE WASHINGTON. IMPERMEABILIZACIÓN (MARTIN, 1987) PREMIO ASCE PARA EL MEJOR PROYECTO EN INGENIERÍA
CIVIL, 1987 ............................................................................................................................................................... 150
FIGURA 124. REVESTIMIENTO SECUNDARIO DE PROTECCIÓN FRENTE AL AGUA EN NORUEGA (KROKEBORG + PEDERSEN, 80’S) ................. 151
FIGURA 125. IMPERMEABILIZACIÓN EN TÚNELES CONSTRUIDOS MEDIANTE DOVELAS (MEGAW + BARTLETT, 1981) ............................... 151
FIGURA 126. IMPERMEABILIZACIÓN EN TÚNELES CONSTRUIDOS MEDIANTE DOVELAS (LYONS, 1979) ................................................... 152
FIGURA 127. ESQUEMA DE DRENAJE EN UN TÚNEL SUBACUÁTICO (BENDELIUS, 1982) ..................................................................... 152
FIGURA 128. MÉTODOS DE EXCAVACIÓN EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LA ROCA. ................................................ 153
FIGURA 129. ESQUEMA DE TIRO ............................................................................................................................................. 154
FIGURA 130. SECCIÓN TEÓRICA DE UN TÚNEL PARA PERFORACIÓN Y VOLADURA ............................................................................... 155
FIGURA 131. TIPOS DE CUELE ................................................................................................................................................ 156
FIGURA 132. JUMBO ........................................................................................................................................................... 158
FIGURA 133. VISTA DE LAS CABEZAS DE CORTE DE DOS TBM’S Y DOS ESCUDOS RESPECTIVAMENTE (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY
OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY)........................................................................................................................ 160
FIGURA 134. VISTA GENERAL DE UN TOPO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ................................................................................... 161
FIGURA 135. ESQUEMA DE UN TOPO (FERNÁNDEZ, 1997) .......................................................................................................... 161
FIGURA 136. VISTA FRONTAL DE LA RUEDA DE CORTE QUE INCORPORA LA CABEZA DE UN TOPO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) .............. 162
FIGURA 137. CÍRCULOS CONCÉNTRICOS DEJADOS POR LOS CORTADORES EN EL FRENTE DEL TÚNEL ....................................................... 163
FIGURA 138. FASES EN LA ROTURA FRONTAL (FERNÁNDEZ, 1997) ................................................................................................ 163
FIGURA 139. ESQUEMA DE ROTURA POR IDENTACIÓN (ALONSO, 2002) ........................................................................................ 164
FIGURA 140. VISTA DE DETALLE Y EN PERSPECTIVA DE UN CORTADOR (ROBBINS COMPANY)............................................................... 164
FIGURA 141. DISPOSICIÓN FAVORABLE Y DESFAVORABLE, RESPECTIVAMENTE, DE LOS CORTADORES VS ESTRATIFICACIÓN ......................... 165
FIGURA 142. VISTA GENERAL DE UN TOPO A PUNTO DE INICIAR EL ATAQUE DE LA EXCAVACIÓN (TRENCHLESS TECHNOLOGY) .................... 166
FIGURA 143. VISTA EN PERSPECTIVA DE LA CABEZA DE UN TOPO. A LA DERECHA, EN COLOR ROJO, SE DESTACAN LOS GRIPPERS (CORTESÍA
HERRENKNECHT AG) ................................................................................................................................................... 167
FIGURA 144. VISTA TRASERA DEL BACK‐UP DE UNA TUNELADORA (TRENCHLESS TECHNOLOGY) ........................................................... 168
FIGURA 145. ENSAYO DE CAÍDA (DROP TEST). ( T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) .................................................................. 171
FIGURA 146. ENSAYO DE PERFORACIÓN (SIEVER TEST). (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ....................................................... 172
FIGURA 147. DETERMINACIÓN DEL DRI. (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) .......................................................................... 172
FIGURA 148. CORRELACIÓN ENTRE EL DRI Y LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) . 173
FIGURA 149. CORRELACIÓN ENTRE EL DRI Y LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE LA ROCA (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) . 173
FIGURA 150. DETERMINACIÓN DE LA PENETRACIÓN NETA (PN). (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ............................................ 174
FIGURA 151. ROCAS PERTENECIENTES A LA CLASE SP Y ST RESPECTIVAMENTE ................................................................................. 174
FIGURA 152. ENSAYO DE ABRASIÓN (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ................................................................................ 176
FIGURA 153. VALOR DE CLI PARA DISTINTAS LITOLOGÍAS (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986) ..................................................... 176
FIGURA 154. VIDA DEL CORTADOR Y COSTE EN CORONAS NORUEGAS EN FUNCIÓN DEL CLI (T. MOUINKEL, O. JOHANNSSEN, 1986)........ 176
FIGURA 155. VISTA FRONTAL Y LATERAL DE UN ESCUDO (FERNÁNDEZ, 1997) ................................................................................. 177
FIGURA 156. VISTA GENERAL DE UN ESCUDO (TRENCHLESS TECHNOLOGY) ..................................................................................... 177
FIGURA 157. VISTA FRONTAL DE LA CABEZA DE UN ESCUDO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................................. 178
FIGURA 158. VISTA DEL INTERIOR DE UN ESCUDO ABIERTO MECANIZADO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................ 179
FIGURA 159. AVANCE DE UN ESCUDO MEDIANTE LOS CILINDROS DE EMPUJE SITUADOS EN LA COLA DEL ESCUDO (HERRENKNECHT AG ESPAÑA)
............................................................................................................................................................................... 180
FIGURA 160. VISTA GENERAL DEL BACK‐UP DEL ESCUDO QUE CONSTRUIRÁ EL TÚNEL ESTE DE GUADARRAMA (MADRID) (CORTESÍA
HERRENKNECHT AG) ................................................................................................................................................... 181
FIGURA 161. VISTA DE UN ESCUDO MANUAL DE FRENTE ABIERTO CON SISTEMA PARA CONTENCIÓN DEL FRENTE EN TERRENOS INESTABLES
(GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................. 182

PARTE I
8
FIGURA 162. IMAGEN DEL FRENTE VISTO DESDE EL INTERIOR DE UN ESCUDO DE FRENTE ABIERTO. LA EXCAVACIÓN SE REALIZA A MANO CON
MARTILLO PICADOR (“PICA PICA”) Y PALA PARA RETIRAR EL ESCOMBRO (IMAGEN DE LA PARTE IZQUIERDA) Y CON PALA MECANIZADA QUE
ACTÚA COMO EXCAVADORA Y COMO PALA DE CARGA (IMAGEN DERECHA).............................................................................. 183
FIGURA 163. ESCUDOS DE FRENTE ABIERTO CON ROZADORA Y PALA EXCAVADORA MECANIZADA (GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF
ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................................................................................ 183
FIGURA 164. ESCUDOS DE FRENTE ABIERTO CON PANEL DE REJILLA PARA AYUDAR A SOSTENER EL FRENTE Y PALA EXCAVADORA MECANIZADA
(GEO‐ENVIROMENT LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ............................................................. 184
FIGURA 165. IMAGEN DE UN ESCUDO DE TIPO ABIERTO CON MÉTODO DE EXCAVACIÓN MECANIZADO (RUEDA) (GEO‐ENVIROMENT
LABORATORY FACULTY OF ENGINEERING NAGASAKI UNIVERSITY) ........................................................................................ 184
FIGURA 166. MAQUETA DE UN ESCUDO TIPO EPB DE FRENTE CERRADO (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................. 185
FIGURA 167. ESQUEMA DE UN ESCUDO DE RUEDA CON CÁMARA ABIERTA (FERNÁNDEZ, 1997).......................................................... 185
FIGURA 168. ESQUEMA DE UN ESCUDO DE BENTONITA (FRENTE PRESURIZADO) (FERNÁNDEZ, 1997) .................................................. 187
FIGURA 169. ESQUEMA DE UNA PLANTA DE SEPARACIÓN DE BENTONITA ........................................................................................ 188
FIGURA 170. ESQUEMA DE UN ESCUDO TIPO E.P.B. (FERNÁNDEZ, 1997) ...................................................................................... 189
FIGURA 171. ESQUEMA DE PRESIONES EJERCIDAS POR EL ESCUDO SOBRE EL FRENTE (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................. 189
FIGURA 172. VISTA GENERAL DE UN ESCUDO TIPO E.P.B. (CORTESÍA HERRENKNECHT AG) ............................................................... 190
FIGURA 173. VISTA GENERAL DE UNA ROZADORA CON CABEZA DE CORTE TIPO RIPPING (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES)
............................................................................................................................................................................... 193
FIGURA 174. VISTA DE UNA ROZADORA ACTUANDO SOBRE EL FRENTE (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) ..................... 194
FIGURA 175. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UNA MÁQUINA ROZADORA (GARCÍA, 1997) ................................................................ 195
FIGURA 176. DISEÑO DE UN BRAZO CORTADOR DE ROCA DURA (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) .............................. 196
FIGURA 177. CABEZA DE CORTE AXIAL TIPO MILLING (GARCÍA, 1997) ........................................................................................... 197
FIGURA 178. CABEZA DE CORTE TRANSVERSAL TIPO RIPPING (GARCÍA, 1997) ................................................................................. 198
FIGURA 179. PERFILES DE EXCAVACIÓN DE AMBOS TIPOS DE CABEZAS DE CORTE .............................................................................. 198
FIGURA 180. SISTEMAS DE TRABAJO CON CABEZA AXIAL Y TRANSVERSAL......................................................................................... 199
FIGURA 181. DISTINTOS DISPOSITIVOS DE CARGA DEL MATERIAL ROZADO ....................................................................................... 200
FIGURA 182. ÁNGULOS DE ATAQUE, OBLICUIDAD Y BASCULAMIENTO ............................................................................................. 202
FIGURA 183. RELACIÓN ENTRE EL CONSUMO DE PICAS Y RENDIMIENTO DE CORTE CON LA RESISTENCIA DE LA ROCA (GARCÍA, 1997) ......... 203
FIGURA 184. SISTEMA DE CHORRO DE AGUA ............................................................................................................................. 204
FIGURA 185. MINADOR DE BRAZO (DOSCO MINING AND CIVIL TUNNELLING MACHINES) ................................................................... 205
FIGURA 186. ROZADORA DE CADENAS ..................................................................................................................................... 206
FIGURA 187. MINIMINADOR (MILIARIUM.COM) ....................................................................................................................... 206
FIGURA 188. EXCAVADORA CON BRAZO CORTADOR (MINING TECHNOLOGY) .................................................................................. 207
FIGURA 189. SISTEMA DE CARGA CON EQUIPO DE DESESCOMBRO (GARCÍA, 1997) .......................................................................... 207
FIGURA 190. ROZADORA SOBRE RUEDAS .................................................................................................................................. 208
FIGURA 191. RELACIÓN ENTRE POTENCIA Y PESO DE LA MAQUINA ................................................................................................. 209
FIGURA 192. MODOS DE CORTE CON CABEZAS AXIALES Y TRANSVERSALES (MILIARIUM.COM) ............................................................ 211
FIGURA 193. MÉTODOS DE CORTE EN MACIZOS ROCOSOS ESTRATIFICADOS (MILIARIUM.COM) ........................................................... 213

PARTE I
9
1.‐ HISTORIA DE LOS TÚNELES Y SU EVOLUCIÓN HISTÓRICA
1.1.‐ Introducción
El túnel arranca de la necesidad de superar un obstáculo natural, generalmente un macizo montañoso.
Pero además de la montaña existen otras barreras que se pueden salvar mediante túneles como los cursos
de agua, fluviales o marinos, y las zonas urbanas densamente edificadas en las que a menudo se incorporan
túneles. Entre los usos más frecuentes pueden enumerarse los túneles para vehículos, para redes de
ferrocarril urbano o Metros, para uso peatonal, para abastecimiento de agua, saneamiento, galerías de
servicio y para almacenamiento de residuos (A.G.P.).
Si bien el túnel en sentido estricto se caracteriza por su marcado carácter lineal, aquí se considerará,
por extensión, el termino túnel en un sentido amplio, no sólo como obra lineal sino como espacio
subterráneo que incluye desde la caverna, la cueva natural hasta amplios recintos subterráneos transitables
dentro de lo que podría englobarse como urbanismo y espacio subterráneo; en suma, el túnel como obra
de tránsito y también como hábitat.
Figura 1. Imagen ficticia del túnel ideado por Thomé de Garamond bajo las aguas del Canal de la Mancha (proyecto
presentado en 1867 en la Exposición Universal).
1.2.‐ El túnel en la historia de los pueblos
El arte de los túneles se funde en sus orígenes con el arte de la minería. La mina más antigua que se
conoce en el mundo se localiza en el cerro de Bomvu, en Swazilandia, y data del año 40.000 a.C.; en ella el
hombre de Neandertal minaba hematites, piedra de sangre, muy apreciada para ritos mortuorios; las
herramientas no eran otras que piedras afiladas y sus manos desnudas.

PARTE I
10
El primer método de perforación de galerías mineras y, con posterioridad, de túneles es la técnica del
fuego, consistente en provocar un incendio en el frente de ataque para luego sofocarlo bruscamente con
agua fría produciendo un brusco gradiente térmico que da lugar al resquebrajamiento de la roca; pero esta
técnica también provoca, como no es difícil imaginar, una atmósfera viciada, irrespirable, generando gases
a menudo venenosos, convirtiendo el trabajo del minero en una trampa mortal a la que sólo unos pocos
afortunados sobreviven.
El primer túnel de la historia, allá donde ésta se difumina con el territorio del mito, fue el que la
leyenda dice mandara construir Semiramis bajo el Eúfrates para comunicar el Palacio y el Templo de Belos
en la Babilonia del 2200 a.C.. A este formidable trabajo se refieren entre otros los historiadores Diodoro de
Sicilia, Herodoto y Estrabon. En realidad, se trataba de un falso túnel, por cuanto no se perforó en galería
sino mediante zanja a cielo abierto y posteriormente recubierta, para lo cual se desviaron las aguas del
Eúfrates aprovechando el período de estiaje.
El siguiente túnel construido bajo el cauce de un río se perforó cuatro mil años después de aquel de
Babilonia, obra de los Brunel padre e hijo quienes tras veinte años de lucha denodada y arrojo lograron
dominar las furiosas aguas del río Támesis que se resistía a ver perforado su lecho.
A lo largo de la historia y en el seno de distintas culturas se han proyectado y construido túneles con
distintos motivos. Así, tanto en el antiguo Egipto, como en las culturas orientales, el túnel ha tenido un
marcado carácter religioso. Mientras que en zonas como las Tierras de Canaan (siglo X a.C.) el propósito no
es místico o religioso sino ingenieril, hidráulico. Tenían como fin el abastecimiento a las ciudades y la
captación de aguas. ¿Por qué bajo tierra? Por varios motivos. El más poderoso de ellos, sin duda, evitar que
un bien tan preciado como el agua (muy escaso por aquellas regiones) se evaporara como consecuencia de
las altas temperaturas que se alcanzaban.
Pero siguiendo con los principales hitos de la historia de los túneles merece especial referencia el de la
Isla de Samos, de un kilómetro de longitud y primero del que se tiene noticia del ingeniero que lo
construyó, Eupalinos de Megara, hijo de Naustrofo. Esta obra construida hacia el 530 a.C., servía para el
abastecimiento de agua a la capital de la isla. Estuvo en funcionamiento durante un milenio y fue
considerada y fue considerada como una de las tres maravillas del Mundo Heleno.
También merece especial atención la época del Imperio Romano. Los romanos construyeron túneles
con muy diversos propósitos: galerías mineras, túneles para abastecimiento de agua, para alcantarillado,
para el drenaje de lagos volcánicos (emisario de Fucino con 5500 m de longitud), en las calzadas romanas
(como el túnel de Pausilippo, cerca de Nápoles, con sus 1500 m de longitud), sin olvidar los túneles de
propósito militar y las catacumbas.
En la Edad Media, los túneles pierden esa potencia como obras vigorosas de ingeniería civil y derivan en
galerías y pasadizos en castillos y fortalezas, obras menores. Durante este período, la minería se robustece
y consolida, fundamentalmente en Centroeuropa, surgiendo al filo del Renacimiento la obra maestra de la
minería, De Re Metallica de Georgius Agrícola publicada en el S. XVI. Dicha obra recoge con minuciosidad
en su texto y en sus grabados las prácticas y técnicas mineras, siendo un libro básico de consulta durante
los dos siglos siguientes a su publicación.

PARTE I
11
Figura 2. Grabado extraído de la obra de De Re Metallica del autor alemán Georgius Agricola
Ésta, sirvió de referencia como manual de consulta durante los S. XVI‐XVII
El Renacimiento marca el resurgir del hombre así como el de los túneles tras el letargo de la época
medieval. Leonardo da Vinci concibe niveles subterráneos en sus proyectos de ciudades y piensa en la
posibilidad de perforar túneles allá donde los canales se encuentran con barreras montañosas.
El primer túnel del Renacimiento es la Mina de Daroca en la provincia de Teruel. Cuenta con 600 m de
longitud, 6 m de anchura y una altura variable entre los 7 y 8 m. Fue construido entre 1555 y 1570 por
Pierres Bedel para reconducir y desviar las aguas torrenciales que venían castigando la villa aragonesa.

PARTE I
12
Figura 3. Imágenes de la antigua Mina de Daroca
Pero es en el siglo XVIII cuando surge la Era de los Canales y dentro de ella los túneles comienzan a
adquirir peso propio: el túnel de Malpas, cerca de Beziers en el Canal de Midi para la unión de los dos
mares (Atlántico y Mediterráneo), obra portentosa que impulsa Colbert bajo el reinado del Rey Sol (Luis
XIV) es el primer túnel para canal. Este túnel, de 155 m de longitud, 6,5 m de altura y 8 de anchura, fue
perforado por Pierre‐Paul Riquet, empleando la pólvora por primera vez. Así comienza la Era de los túneles
para canales: tras él muchos túneles se construirán en las siguientes décadas destacando los túneles
ingleses para canal, muchos de ellos obra de ese prodigioso ingeniero que se llamó James Brindley.
La experiencia adquirida con la construcción de túneles para canal resultaría valiosísima en el período
siguiente, ya superado en el corazón de Europa el umbral de la Revolución Industrial, la Era de los
Ferrocarriles.
En la historia de los Ferrocarriles, que se desarrolla a partir del siglo XIX, los túneles tuvieron gran auge;
en la historia de los túneles de ferrocarril se agolpan grandes hazañas en una denonada lucha del hombre
por dominar el arte de perforar la tierra; incorporando progresivamente maquinaria y procedimientos
constructivos a partir de los cuales el esfuerzo manual va cediendo en pro de una incipiente mecanización.
En el siglo XVI existía ya el transporte por carriles cuya infraestructura estaba construida de madera y se
utilizaba para mover por ella vagones en las minas. Los avances técnicos del siglo XIX, que surgen gracias a
la Revolución Industrial hacen que aparezcan los ferrocarriles. En 1803 se abrió el primer ferrocarril tirado
por caballos del mundo en Surrey, Inglaterra. Así, los raíles de hierro se extendieron al transporte de
mercancías y viajeros. Con las primeras locomotoras de vapor el desarrollo del tren estaba decidido. En
1825 se inauguró el primer tren traccionado por una locomotora de vapor creada por Stephenson.
El primer túnel de ferrocarril fue el de Terre‐Noir en Francia, de la línea Roanne‐Andrezieux, camino de
carriles traccionado por caballos, construido por caballos, construido en 1826, con 1476 m de longitud, 5 m
de altura y cerca de 3m de anchura.

PARTE I
13
Figura 4. Imagen correspondiente a la bendición de los raíles de la vía del túnel de Perruca en León (1884)
Los ferrocarriles de vapor, que comenzaron en Gran Bretaña, se multiplicaron de forma importante
entre los años 1830 y 1845. El ferrocarril de Liverpool a Manchester, obra de Isambard Kingdom Brunel fue
el primero; dicha línea atravesaba la montaña por dos túneles, uno de 4.8 km y otro de 1.6 km.
Durante este período también tiene lugar la gesta de la perforación del primer túnel bajo el Támesis
entre Rotherhithe y Wapping, el primero que se construye en terreno blando y con enorme presencia de
agua y en el que por primera vez se aplica la técnica del escudo que pantentase Marc Brunel. Cuando la
Reina Victoria inaugura el túnel en marzo de 1843 han transcurrido casi veinte años de brutal lucha contra
las inundaciones del Támesis (en cinco ocasiones), contra la quiebra financiera, contra ese gran agujero del
que casi todos recelaban pero que los Brunel superaron enfrentándose a todas las dificultades con arrojo y
valentía sin límites.
Figura 5. A la izquierda una imagen de época del túnel construido bajo las aguas del río Támesis y a la derecha otra del
escudo utilizado y patentado por Brunel para este mismo proyecto (1843)

PARTE I
14
En un principio, la construcción de un ferrocarril era considerada como empresa de colosos, pero
conforme los progresos se iban consolidando, los ferrocarriles se construían con relativa facilidad y
economía, desarrollándose en todo el mundo como un gran modo de transporte terrestre. Ello llevó a una
revolución en el transporte en todo el mundo y a un cambio trascendental en el estilo de vida.
Ya en la segunda mitad del siglo XIX se produce un avance impresionante con la construcción de los
grandes túneles alpinos de ferrocarril. Los nombres de Mont Cenis, San Gotardo y Simplón constituyen la
triada en la titánica lucha por perforar los Alpes y que marca el punto de mayor tensión en la historia de los
túneles: baste recordar que la longitud respectiva de estas galerías es de 12.6 km, 15.2 km y 19.7 km. Los
medios disponibles eran todavía modestos, si bien la incorporación de máquinas taladradoras accionadas
por aire comprimido, obra de Sommeiller, marca un salto cualitativo en los rendimientos alcanzados.
En aquellas décadas la temeridad y audacia de los ingenieros no tenía limites y tal vez por ello ninguno
de los que emprendieron los tres grandes túneles alpinos de ferrocarril pudieron ver su obra terminada.
Probablemente, en ocasiones, también a causa de una ambición desmedida, las condiciones de trabajo
resultaban inhumanas, destacando la negra historia de Louis Favre y el túnel de San Gotardo. El
compromiso de un plazo de ejecución imposible de cumplir con duras penalizaciones por cada día de
retraso condujo a Favre primero a la ruina, luego a la muerte y a sus trabajadores a unas condiciones
laborales y sanitarias infernales, estimándose en cerca de doscientos el número de muertos durante las
obras; un precio muy elevado.
También en Estados Unidos se van imponiendo los túneles en la segunda parte del siglo XIX. Cabe
recordar dos túneles bajo el río de Chicago abiertos en 1869 y 1871, que sirvieron como la única vía de
escape para los habitantes de la ciudad durante el feroz incendio que redujo la ciudad a cenizas en octubre
de 1871, sólo cuatro meses después de inaugurarse el túnel de la calle La Salle.
El túnel Hoosac marca también sin duda un hito a nivel de avances tecnológicos, como el de la
utilización por primera vez de la nitroglicerina en este tipo de obras, y el túnel de Saint Clair construido a
finales del XIX bajo el río que le da nombre entre EE.UU y Canadá mediante un escudo de 6.45 m de
diámetro.
Como hemos visto el resurgimiento de los túneles como consecuencia de la Revolución Industrial, la
máquina de vapor y los ferrocarriles marcó un hito importante en el diseño y construcción de los mismos.
Los siguientes avances fueron debidos a diversas causas. Así, la electricidad y la potencia eléctrica propició
la aparición de los ferrocarriles subterráneos, el metro. Por otra parte , las centrales de energía dieron lugar
a los túneles para enfriamiento de agua y para conducción de cables. La máquina de combustión interna,
no sólo extendió la potencia de la ingeniería sino que dio lugar al motor de explosión, lo que condujo al
desarrollo de las carreteras y por tanto a la demanda de un número creciente de túneles para vehículos a
motor, no sólo perforados bajo montañas sino también bajo colinas menores o incluso bajo los cauces de
los ríos.
Son innumerables los túneles construidos desde entonces hasta la actualidad, así como las mejoras en
las técnicas y elementos constructivos que poco a poco han alcanzado un grado de eficacia inimaginable.
Debido precisamente a esta evolución vale la pena hacer un alto en el camino y revisar los distintos

PARTE I
15
métodos nacionales de construcción de túneles que fueron surgiendo desde la Era de los Canales y los
Ferrocarriles hasta la actualidad y que, aún, hoy día se utilizan en algunos casos concretos en los que el
terreno no da otra opción.
Fundamentalmente han de considerarse los sistemas inglés, belga, alemán y austriaco. Con
posterioridad se introduciría el Nuevo Método Austriaco, con una inmensa proyección y aplicación de
forma diversificada.
1.3.‐ Métodos de excavación
A continuación revisaremos de forma esquemática los diversos métodos de excavación
cronológicamente y que se centran principalmente en las diferentes secuencias de excavación.
El Método Inglés: recibe su nombre por haber sido aplicado en túneles a través del tipo de terreno que
usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arcillas y areniscas. Siguiendo el ejemplo establecido en
la construcción del primer túnel bajo el Támesis, su principal característica es proceder el avance de la
perforación a sección completa del túnel, en una sola operación.
El Método Alemán: este sistema fue utilizado por primera vez en 1803 para construir el túnel en el
Canal de San Quintín, y desarrollado por Wiebeking en 1814, siguiendo el sistema de núcleo central,
también empleado en la construcción de las amplias bóvedas de cerveza de Baviera.
El Método Alemán Modificado: se aplica en el caso en que durante la operación de perforación del
túnel, a través de un terreno bastante firme, surja la aparición de agua, lo que origina una alteración en el
Método Clásico Alemán en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente.
El Método Belga: se basa en los principios que permitieron la construcción, en 1828 del túnel de
Charleroi en el Canal que enlaza Bruselas y Charleroi.
El Método Austriaco: los austriacos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilización de
puntales de madera formando un sistema de entibación, procedimiento aplicado en las minas de Friburgo y
que fue aplicado por primera vez por Meisner en la construcción del túnel de Oberau, en el ferrocarril entre
Leipzig y Dresden, en Sajonia en el año 1837. En 1839 Keissler lo empleó en el túnel de Gumpoldskirch,
cerca de Viena‐Neustadt.

PARTE I
16
Figura 6. Esquema de los diferentes métodos constructivos nacionales
Llegados a este punto, consideramos adecuado hacer un pequeño resumen sobre los principales
factores que han intervenido en el progreso de la ingeniería de túneles:
La ingeniería de túneles ha progresado de forma muy significativa durante el siglo XX y lo que llevamos
de XXI. Entre los principales factores que han contribuido decisivamente a este avance se encuentran los
siguientes:
 En relación con la excavación, las mejoras en las técnicas de voladura, tanto en la fase de barrenado
como en los tipos de explosivos, el uso cada vez más eficiente de la energía, sea eléctrica o por aire
comprimido; así como la introducción de nuevos equipamientos y maquinaria, dependiendo de las
características del terreno (tema del que nos ocuparemos más en profundidad en los siguientes
puntos), como son las máquinas tuneladoras (TBM), las rozadoras o tuneladoras de ataque puntual,
escudos, etc ha sido determinante.
 En relación con el sostenimiento, los avances en materia de revestimientos, principalmente en
hormigón y acero moldeado, en mejora del terreno mediante inyecciones a presión así como el
perfeccionamiento de máquinas tuneladoras a sección completa.
 En relación con las características del entorno de trabajo, cabe resaltar las notables mejoras en
sistemas de ventilación e iluminación, un control más eficaz del agua subterránea mediante
equipos de bombeo o a través de sobrepresión ambiental.
 En relación con los métodos de diseño y construcción de entre los diversos métodos que
anteriormente se apuntaron, cabe destacar el Nuevo Método Austriaco de construcción de Túneles
(NATM). Si bien este método se encuadraría dentro de los sistemas de sostenimiento de túneles, su
alcance, trascendencia y repercusión a nivel mundial permite afirmar que el NATM supone una
destacada contribución a la ingeniería de túneles.

PARTE I
17
Figura 7. Vista en perspectiva de una moderna tuneladora que se utilizará para
la construcción de la futura Línea 9 de Metro en Barcelona
1.4.‐ Reconocimiento del terreno
La selección del método constructivo de un túnel viene regida por una serie de factores de diversa
índole:
‐ Unos geotécnicos, en cuanto a las características del terreno, lo que puede condicionar el aplicar un
método u otro.
‐ Otros económicos, en cuanto a la posibilidad de utilizar métodos en que se necesita una importante
inversión, como en el caso de las tuneladoras.
‐ Otras sociales y medio‐ambientales, en cuanto a la seguridad del método, la afección al entorno, la
presencia de obstáculos naturales y artificiales (ríos, pozos, cimentaciones existentes, minas, etc).
El reconocimiento del terreno siempre es escaso en un túnel, tanto por las dificultades de llegar a él
(sobre todo en túneles interurbanos profundos), como por el carácter puntual – muchas veces – de las
prospecciones. En el caso de rocas hay tres factores predominantes a la hora de seleccionar el proceso
constructivo y dimensiones del sostenimiento:
‐ La presencia de fallas y accidentes, así como la posibilidad de su tratamiento previo a la excavación
en los mismos. No basta decir que se pedirá una tuneladora que permitirá los tratamientos. La
disposición radial de los huecos que permitan las perforaciones tiene que ser tal que los taladros no
estén muy separados en la zona de tratamiento y debe recordarse la forma cónica de los
“paraguas” de tratamiento, lo que hacen que la zona tratada puede separarse mucho de la directriz
a excavar.
‐ La existencia de agua y/o gas a presión. Es necesario estimar esa presión y los caudales previstos y
el contenido de metano y exano de los gases (por si pueden originar deflagraciones), ya que
pueden hacer inviables algunos sistemas constructivos y obligan a tratamientos especiales
(perforaciones con obturadores diseñados a tal efecto). Sobre la presión del agua se discute mucho
y, en algunos túneles, se le llega a adjudicar alturas de agua muy importantes y presiones elevadas

PARTE I
18
que, después, son más pequeñas. De todas formas, los golpes de agua y arena (como las
inestabilidades en el albense en el Trasvase Tajo‐ Segura) pueden enterrar maquinara importante.
En estos casos, la congelación previa del agua del terreno puede dar magníficos resultados.
‐ La posibilidad de inducir en el terreno importantes deformaciones: a) Por fluencia, debida a la
elevada tensión natural inicial del terreno, que origina decomprensiones por liberación de
tensiones y deformaciones que dan convergencias importantes en secciones (que no tienen que ser
muy profundas, como en algunas pizarras y esquistos tectonizados) o que pueden originar el
atrapamiento de máquinas. b) Por hinchamiento a corto y largo plazo, como ha ocurrido en los
túneles de Montblanc en L.A.V. Madrid‐Barcelona; al contener el terreno arcillo‐margoso minerales
expansivos (esmectitas) y anhidrita (sulfato cálcico hemihidratado). Primero suele hinchar, al
decomprimirse y variar la humedad, la esmectita, con lo que se abre la estructura y puede expandir
la anhidrita, para llegar a yeso dihidratado, más estable. También ha habido experiencias negativas
en los túneles hidráulicos de Trasvasar (Gran Canaria), al existir una capa arcillosa‐esmectítica entre
las fonolitas excavada; las deformaciones se han producido por extrusión de la arcilla (al liberar las
tensiones a 400‐500 m de profundidad) e hinchar la esmectita, produciéndose levantamientos de la
solera (en túneles de Ø 3,50 m) de hasta 2,80 m (con la capa en cuestión en solera) o convergencias
de más de 1 m (cuando estaba en hastiales). En estos casos el método tiene que tener en cuenta la
posibilidad de construir soleras curvas y muy rápidamente, para no permitir la relajación del
terreno.
A continuación se muestra una tabla que indica para según qué fase del proyecto que método de
reconocimiento del terreno se usa.

PARTE I
19

PARTE I
20
2.‐ LA DINÁMICA DE AVANCE DEL TÚNEL
2.1.‐ Los conceptos básicos
Cualquier persona que se propone la construcción de obras subterráneas, encuentra tener que abordar
y resolver un problema particularmente complejo, porque es mucho más difícil determinar las
especificaciones de diseño de base para los trabajos subterráneos de antemano de lo que es para las
construcciones en la superficie (Fig. 8).
Figura 8. Diferencias entre la construcción subterránea y de superficie.
No es, como en construcciones de superficie, una cuestión de ajustar gradualmente a medida los
materiales (acero, hormigón armado, etc) con propiedades de resistencia y deformación conocida para
construir una estructura que, al ser sometida a las cargas previsibles, encuentra su equilibrio en el futuro
con la configuración final deseada. Por el contrario, uno tiene que intervenir en un equilibrio pre‐existente
y proceder de alguna manera a una "perturbación planificada" de la misma en condiciones que sólo se
conocen aproximadamente.
Otra peculiaridad de las obras subterráneas, bien conocida por los ingenieros de diseño y construcción,
pero a la que no siempre se da suficiente importancia, es que muy a menudo, la etapa en que la estructura
está sujeta a más estrés no es la etapa final, cuando el túnel está terminado y sujeta a las cargas externas
previstas en la fase de diseño, si no en la etapa intermedia de la construcción.
Este es un momento mucho más delicado, porque los efectos de la perturbación causada por la
excavación aún no han sido completamente aislada por el revestimiento final en esta etapa, cuando el
estado de las tensiones preexistente en el macizo rocoso se desvió por la apertura de la cavidad y se
canalizó a su alrededor (efecto arco) para crear zonas de mayor estrés en las paredes de la excavación.
De manera similar a las líneas de flujo en la corriente de un río, que son desviados por la pila de un
puente y aumenta su velocidad cuando corren a su alrededor, las líneas de flujo de tensiones en una masa

PARTE I
21
de roca son desviados por la apertura de una cavidad y se canalizan a su alrededor para crear una zona de
aumento de tensiones alrededor de las paredes de la excavación (Fig. 9). La canalización del flujo de
tensiones alrededor de la cavidad se denomina un efecto de arco. El efecto arco asegura que la cavidad es
estable y va a perdurar en el tiempo.
Figura 9. Definición grafica del efecto arco.
La delicadeza particular de esta etapa intermedia se hace evidente si se considera que es precisamente
en la distribución correcta de las tensiones alrededor de la cavidad de lo que la integridad y la vida de un
túnel depende. Esta distribución se puede producir, dependiendo del tamaño de las tensiones en juego y
las propiedades de resistencia y deformación de la tierra, de la siguiente manera (Fig. 10):
1. Cerca del perfil de la excavación.
2. Lejos de ser el perfil de la excavación.
3. De ninguna de las dos maneras.

PARTE I
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Figura 10. La formación del efecto arco se hace patente por la respuesta en deformación de la masa rocosa de la excavación.
El primer caso ocurre cuando el suelo alrededor de la cavidad soporta la tensión de flujo desviado de
tensiones alrededor de la cavidad, respondiendo elásticamente en términos de resistencia y deformación.
El segundo caso ocurre cuando el suelo alrededor de la cavidad no puede soportar el estrés y el flujo
desviado de tensiones responde inelásticamente, plastificándose y deformándose en proporción al
volumen de tierra que participa en el fenómeno de plastificación. Este último, que a menudo provoca un
aumento en el volumen de la tierra afectada, se propaga radialmente y desvía la canalización de los
esfuerzos hacia el exterior en el macizo rocoso hasta que el estado de tensión triaxial es compatible con las
propiedades de resistencia del suelo. En esta situación, el efecto arco se forma lejos de las paredes de la
excavación y la tierra alrededor de ella, que ha sido perturbada, sólo es capaz de contribuir a la estática
final con su propia resistencia residual y dará lugar a la deformación, que a menudo es suficiente para
poner en peligro la seguridad de la excavación.
El tercer caso se produce cuando el suelo alrededor de la cavidad es completamente incapaz de
soportar el flujo desviado de tensiones y responde en el rango de insuficiencia produciendo el colapso de la
cavidad.
Se desprende de este análisis estas tres situaciones:
 Un efecto arco sólo se produce de forma natural en el primer caso
 Un efecto de arco de medio natural sólo se produce de manera efectiva en el segundo caso, si
el suelo es "ayudado" con la intervención apropiada para estabilizarlo

PARTE I
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 En el tercer caso, ya que un efecto de arco no se puede producir de forma natural, debe ser
producido por medios artificiales, mediante una actuación apropiada en el suelo antes de que
se excava.
La tarea primera y más importante de un ingeniero de diseño de túneles es determinar si y cómo un
efecto de arco puede ser activado cuando un túnel se excava y luego asegurarse de que está asegurado su
formación calibrando la excavación y la estabilización de las operaciones de forma adecuada en función de
diferentes condiciones de esfuerzo‐deformación.
Para lograr esto, un ingeniero de diseño debe tener conocimiento de lo siguiente (Fig. 11)
 El medio en el que se realizan las operaciones.
 Las medidas adoptadas para excavar.
 La reacción esperada de la excavación.
Figura 11. Factores de la excavación.
2.2.‐ El medio
El medio (es decir, el terreno) es en la práctica el verdadero "material de construcción" de un túnel, es
extremadamente anómalo en comparación con los materiales tradicionales utilizados en la ingeniería civil:
es discontinuo, no homogéneo y anisotrópico. En la superficie, sus características varían, pero esto
depende exclusivamente de su propia naturaleza intrínseca (consistencia natural), que condiciona la
morfología de la corteza terrestre, mientras que en profundidad sus características también cambian en
función de los estados de estrés a los que está sujeto (consistencia adquirida) y esto condiciona su
respuesta a la excavación (Fig. 1.4).

PARTE I
24
Figura 12. El mismo material puede alcanzar la rotura con diferentes tipos
de comportamiento de acuerdo con el rango de tensiones.
Si simplificamos al máximo, podemos decir que hay tres medios principales en la naturaleza: arena,
arcilla y roca, que tienen tres consistencias físicas diferentes:
 La consistencia de la arena, que tiene su efecto sobre todo en términos de fricción, dando lugar a
comportamientos de tipo suelta.
 La consistencia de la arcilla, que tiene su efecto sobre todo en términos de cohesión, dando lugar a
comportamientos de tipo coherente.
 La consistencia de la roca, que tiene su efecto en términos de cohesión y la fricción, con valores
significativamente más altos que en el caso de la arena y la arcilla que dan lugar a comportamientos
de tipo roca.
En su estado natural, el medio aparece con las características de su propio tipo de coherencia, sin
embargo, cuando se aborda la construcción subterránea, en la que se está sujeto a las tensiones que
aumentan con la profundidad, tiene una consistencia que varía en función de la entidad y la anisotropía de
del flujo de tensiones (consistencia adquirida).
La forma en que la consistencia del medio varía en función de su estado tensional es estudiado por
medio de ensayos triaxiales en muestras y es descrita por la curva intrínseca y los diagramas de tensión‐deformación.
Tres zonas características pueden ser identificadas durante el avance del túnel en un túnel sin
revestimiento.
1. Una zona inalterada, donde la masa de roca todavía no está afectada por el paso de la cara.
2. El frente del túnel o zona de transición, lo que corresponde al radio de influencia del frente, en los
que su presencia tiene un efecto considerable.
3. Una zona de estabilización, donde el frente ya no tiene ninguna influencia y la situación tiende a
estabilizarse (si es posible).
Es importante observar que en el paso de la zona inalterada a la zona de estabilización, el medio pasa
de un estado triaxial a un estado de tensión planar y la zona del frente es donde esta transición tiene lugar.
En consecuencia, esta es la zona más importante para el ingeniero de diseño. Es aquí donde la acción de la

PARTE I
25
excavación altera el medio y es en esta zona donde toda la atención del ingeniero de diseño debe estar
centrada para el estudio adecuado de un túnel. No es posible lograr esto sin que se empleen tres métodos
de análisis dimensional.
Figura 13. Zonas características en la excavación de una galería.
2.3.‐ La acción
La acción es todo el conjunto de operaciones realizadas para excavar el suelo. Se ve en el avance de la
cara a través del medio. Por tanto, es un fenómeno claramente dinámico: el avance de un túnel puede ser
imaginado como un disco (la cara) que pasa a través de la masa de roca con una velocidad V, dejando un
espacio vacío detrás de él. Se produce una perturbación en el medio, tanto en sentido longitudinal como
transversal, que altera los estados tensionales originales (Fig. 14).

PARTE I
26
Figura 14. Propagación de la zona perturbada durante el avance de la excavación.
Dentro de esta zona perturbada, el campo original de tensiones, que pueden describirse mediante una
red de líneas de flujo, es desviado por la presencia de la excavación y se concentra en las proximidades,
produciendo un aumento de la tensión, o, para ser más preciso, un aumento en el flujo de tensiones. El
tamaño de este aumento determina la amplitud de la zona perturbada para cada medio (en el que el suelo
sufre una pérdida de las propiedades geomecánicas con un posible incremento en el volumen) y, en
consecuencia, el comportamiento de la cavidad en relación con la fuerza de la masa rocosa σgd.
El tamaño de la zona perturbada en las proximidades de la cara se define por el radio de influencia de la
cara Rf, que identifica el área en la que el ingeniero de diseño debe centrar su atención y en la que se
produce el paso de un estado de tensión triaxial a un estado de tensión plana (la zona de la cara o de
transición); el estudio adecuado de un túnel por lo tanto requiere de tres métodos de cálculo
dimensionales y no sólo los métodos de cálculo planares.
2.4.‐ La reacción
La reacción es la respuesta de la deformación del medio a la acción de la excavación. Se genera por
delante de la cara dentro del área que se altera, a raíz de la generación de una mayor tensión en el medio
alrededor de la cavidad. Depende del medio y su estado tensional (coherencia) y en la forma en que se
efectúa adelantado cara (la acción). Se puede determinar la intrusión de material en el túnel a través del
perfil teórico de la excavación. Intrusión es con frecuencia sinónimo de la inestabilidad de las paredes del
túnel.
La respuesta a la deformación del medio se manifiesta en las excavaciones de diferentes formas
dependiendo en el rango en que se produce y estos se pueden describir con diagramas sencillos. Por
ejemplo:
Una respuesta de carga sólida, principalmente cuando el error se produce en un medio generalmente
conforme a la tensión en el rango elástico, que se localiza y produce principalmente como resultado de la

PARTE I
27
gravedad, cuando la fuerza del medio es superior a lo largo de superficies preexistentes de discontinuidad
(Fig. 15).
Figura 15. Respuesta de carga solida.
Una respuesta como anillo o banda de plastificación, sobre todo cuando el fallo se genera en el rago
elastoplástico, que se extiende alrededor de la excavación y se produce a lo largo de superficies helicoidales
que se generan dentro del medio después de que haya plastificado (Fig. 16).
Figura 16. Respuesta como banda de plastificación.
Considerando ahora las tres zonas características ilustradas en la Figura 13, se pueden examinar cómo
la situación de las tensiones y la deformación se desarrolla en cada uno de ellos.
1) zona Inalterada caracterizada por:
 El campo de esfuerzos naturales
 estado de tensión triaxial en todos los puntos
 deformación nula.
2) Frente o zona de transición (que corresponde al radio de influencia de la cara Rf), caracterizado por:
 campo de esfuerzos perturbado (variación en el estado de tensiones);
 el estado de tensiones que pasa de triaxial a biaxial (aumento en el desviador de estrés);
 aumento de la deformación, inmediata e insignificante si está el rango elástico, diferida y
grandes si está en el rango elasto‐plástico.

PARTE I
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3) Zona estabilizada (si las especificaciones de diseño aplicado en la zona del frente eran correctas)
que se caracteriza por:
 equilibrio del campo de esfuerzos restaurado;
 estado de tensión biaxial;
 Estado plano de deformaciones;
 fenómenos de deformación en un extremo o final.
Mediciones experimentales indican que no menos del 30% de la deformación de convergencia total se
produce en la sección del túnel que se desarrolla en el frente. De ello se deduce que el suelo por delante
del frente es el primero que se deforma y que sólo se produce la convergencia de la cavidad después de
que se deforme. También se desprende que las medidas de convergencia tomadas en el interior del túnel
sólo representan una parte del fenómeno de la deformación total que afecta al medio.
Tres situaciones básicas pueden surgir (Fig. 17).
Figura 17. Tipos de reacción.
Si al pasar de un estado tensional triaxial a un estado de tensión plana durante el avance del túnel, la
disminución progresiva de la presión de confinamiento en la cara (σ3 = 0) produce el estrés en el rango
elástico por delante de la cara, entonces el muro que se libera por la excavación ( la cara) se mantiene
estable con una deformación limitada y absolutamente insignificante. En este caso, la canalización de las
tensiones alrededor de la cavidad (un "efecto arco") se produce por medios naturales cerca del perfil de la
excavación.
Si, por el contrario, la disminución progresiva de las tensiones en la cara (σ3= 0) produce tensiones en el
rango elasto‐plástico en el suelo delante de la cara, entonces la reacción también es importante y la pared
que se libera por la excavación, la cara, se deforma de manera elasto‐plástico hacia el interior de la cavidad
y da lugar a una condición de estabilidad a corto plazo. Esto significa que, en ausencia de intervención, la
plastificación se activa, mediante la propagación radial y longitudinal de las paredes de la excavación,
produciendo un cambio del "efecto arco" de distancia del túnel de más en la masa rocosa. Este movimiento

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