Aspectos esenciales a tener en cuenta en el diseño de túneles viales. Ing. Camilo Marulanda, presidente del Comité Colombiano de túneles -CCT.

1. Aspectos esenciales a tener
en cuenta en el diseño de
túneles viales
Ing. Camilo Marulanda E.
SOCIEDAD COLOMBIANA DE INGENIEROS

2. Estado de la roca en superficie y en subterráneo

3. Esquema Diseño Geotécnico

4. INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS Y
CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

5. Investigaciones Geotécnicas

6. Guía General para exploraciones Geotécnicas en
túneles

7. Guía General para exploraciones Geotécnicas en
túneles
• SE DEBE SEGUIR SIN EMBARGO UNA “REGLA DE CUIDADO” (Standard of Care) ( Su
formulación debe ser el resultado de la mejor práctica y conocimiento posible, siguiendo además
un proceso (aproximación) metódico y sistemático para su estructuración, evaluación y desarrollo
comprensivo. Mientras mas grande el riesgo mas alto el grado de cuidado).
US ARMY OF ENGINEERS EM-1110-2-2901 30/5/1997

8. Ensayos de resistencia

9. Ensayos de resistencia

10. Sistemas de clasificación de la roca intacta según
resistencia

11. Clasificacion de la roca intacta según Deere & Miller

12. Criterios de falla en macizos rocosos
13
Material Intacto
Barton-
Discontinuidades
Macizo
rocoso
Macizo Isotrópico
Macizo anisotrópico

13. Índice de Resistencia geológica-GSI-Hoek–Kaiser y Banden( 1995)
14
Hoek y Karzulovic-2000

14. Módulo de Deformación del Macizo
15

15. cConceptos para estimar el módulo según Hoek-2007
16

16. 17
Como se caracteriza una fractura o diaclasa?
1. Forma = plana o ondulada
2. Rugosidad=Lisa o muy Rugosa
3. Continuidad
4. Espaciamiento o persistencia
5. Espesor
6. Tipo de relleno
7. Alteración de las paredes
8. Condiciones de agua
9. Aptitud= Rumbo/Buzamiento

17. Parámetros y comportamiento
18
Barton & Choubey
Estado fresco
Schmith
natural
Angulo básico

18. ESFUERZOS EN MACIZOS ROCOSOS

19. Direcciones principales de los Esfuerzos
20

20. Influencia de la geología estructural
21
s1s1
Falla inversa
s3 s3
Falla normal
s3
s3
s1
s1
Falla de rumbo
s3 s3
Dique
s1
s1
s1
s1
Pliegue

21. Medida de esfuerzos verticales
22

22. Relación K de esfuerzos con la profundidad-Sheorey( 1994)
23

23. 24
Medición de Esfuerzos en macizos rocosos
a. Overcoring o sobre perforación
 Método USBM
 Celda triaxial CSIR
 Doorstopper
b. Fractura Hidráulica o hidrogateo -Mide presiones de agua
c. Gato plano o Flat Jack -Mide dilatación mecánica
Miden deformaciones

24. Overcoring Celda USBM
25

25. Hydrojacking- Fracturamiento Hidráulico
26

26. GATO PLANO
27

27. Distribución de esfuerzos
28

28. Efecto de la geometría y los esfuerzos in-situ-Relación k de
esfuerzos
29
s1
s1
s3 s3
s3
s1
s1
s3
K < 1
K>1

29. Curva Característica o de reacción del terreno
Soporte Rígido
– Filosofía
antigua de
diseño
Soporte
Flexible –
Nueva filosofía
de diseño
Curva
característica

30. MECANISMOS DE FALLA

31. 32
Según tipos de materiales
• Rocas duras(1)
• Roca blanda (2)
• Materiales de suelos (3)

32. 33
Mecanismo de falla
• EMPUJES TERRENO -Squeezing-empujes montaña(2)
-Swelling-Hinchamiento(2)
-Poping-Rockburts-slabbing(1)
• CARGAS DESPRENDIMIENTO -Material suelto-suelo-portal
-Cuñas de roca(1),(2)
-Zonas fracturadas, cizalla, falla(1),(2)
• PROBLEMAS CON EL AGUA -Filtraciones(1),(2)
-Terreno que fluye (2)
-Agresividad(1)
• GASES - explosivos-metano (2)
- venenosos(1),(2)
• SUBSIDENCIA- Asentamientos y deformaciones en superficie (2)

33. Mecanismo de falla- Estructuras geológicas
34
Influencia de Fallas Geológicas
Influencia de pliegues
Empujes, Terreno que fluye o rueda, Cargas de desprendimiento,
Filtraciones, gases
Cargas de desprendimiento, Filtraciones, gases

34. Mecanismo de falla
35
Carsticidad
Filtraciones
Avalanchas
Desprendimientos

35. Orientación de las discontinuidades- Bloques de roca
36

36. Mecanismo de falla- Roca blanda
37
Hinchamiento o swelling Empujes de montaña o squezzing

37. SQUEEZING O EMPUJES DE MONTAÑA

38. Squeezing o Empujes de Montaña
39
Se produce cuando la redistribución de los
esfuerzos que se forman alrededor de la
excavación del túnel superan la resistencia
del macizo rocoso

39. Filosofías de diseño y construcción de túneles
40
Po
d
t
Curva de reacción del Terreno
Punto crítico Colapso
P1
U1
P2
U2
Filosofía moderna de soporte
 Soportes más flexibles y livianos
Menores costos
Menores tiempos de construcción
Filosofía Antigua de soporte

40. Métodos constructivos

41. Método ADECO-RS- Análisis de deformaciones controladas
en roca y suelos – Lunardi, P.(2008)

42. Casos en la cordillera de los Andes
43
Chingaza Yacambú

43. Túnel del Colegio – Sistema de sostenimiento
con arcos
44

44. Calificación del fenómeno de empujes (squeezing)
45

45. Planta Geológica
Secuencia de rocas metasedimentarias (meta lutitas, meta areniscas, meta lodolitas) con niveles carbonosos ,
intercaladas con franjas de vulcanitas , zonas cizalladas y cataclizadas
Esquisto negros, grises, cataclasitas, milonita, gouge de falla, sulfuros e inyecciones de cuarzo y carbonatos
tectonizados

46. Localización Zonas de falla Campanario y La Soledad
Zona de Influencia Falla
Campanario Zona de Influencia Falla La
Soledad

47. Desplazamientos de convergencia registrados en le túnel Piloto a mayo de 2008
Zona de Influencia Falla
Campanario- 120 mm Zona de influencia Falla La
Soledad- 420 mm

48. Comportamiento Squeezing ground

49. Túnel Piloto Falla La Soledad

50. Desplazamientos Desplazamientos
Daños del soporte
Desplazamientos
Abombamiento de
la sección
Deformaciones durante construcción

51. Zonas del túnel Principal con invasión de la sección y
daño en arcos
Invasión de la sección por
convergencia – arcos doblados

52. Arcos dañados HEB FALLA LA SOLEDAD
Falla La Soledad

53. Casos de túnel averiados y necesidades de
realizar reperfilación
Arcos HEB 100
doblados
Arcos HEB 100
doblados
Arcos
Cortados

54. Túnel de Buenavista-frente Rionegro
análisis convergencias totales- Cierre del anillo de soporte- Solera
curva a tiempo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
154
160
188
210
250
280
320
360
381
441
471
488
491
545
563
572
636
643
652
Cobertuaenmetros
Convergenciam
ABSCISADO
Convergencia
Cobertura
Se desconoce informacion
Sobre la construccion de la solera
Solera mas rapido
Solera mas tarde
Solera oportunamente
Efecto de la solera curva
A destiempo A tiempo
Lutitas de la formación Cáqueza

55. Proyecto Guavio- Zona de falla de San Luis
convergencias y coberturas.
Lutitas de la formación Cáqueza

56. Uso de arcos similares al HEB con juntas
deslizantes
Caso yacambú – Venezuela( Zona de
falla Boconó

57. Empujes y deformaciones
58

58. Yielding Support
59

59. PROBLEMAS DE CREEP

60. Comportamiento de la roca bajo creep
Cambio del comportamiento de las
curvas de deformación unitaria
versus tiempo dependiendo del
nivel de esfuerzos

61. 62

62. Creep - Catedral de sal de Zipaquirá
63

63. Túneles para complejos turísticos derivados de Minería -
64
Nueva Catedral de Zipaquira

64. SWELLING O HINCHAMIENTO

65. PROYECTO MESITAS- TUNEL DE FUGA.
66
•Túnel 5m de diámetero, 20m de
cobertura.
•Soporte: arcos de acero y c.n.
•Cuatro meses después.
•Swelling.
•Importancia de los pernos.
•Geometría invert.

66. 1000 µm
1000 µm1000 µm
Fig.5
b
a
CRECIMIENTO DE CRISTALES
1000 µm
b
a
Undisturbed anhydrite Anhydrite affected by epitaxial
growth
3. Lessons

67. 68
Swelling ground

68. Swelling ground- Efectos
69

69. Swelling ground
70
Solera curva
reforzada
Pernos de anclaje profundos Puenteo
Reemplazo
material
deformable y
solera curva

70. Túnel El Faro- Sistema Chingaza
Resistencia a la compresión inconfinada – Arcillolitas Formación
Regadera

71. Túnel El Faro- Sistema Chingaza

72. ROCKBURTS, POPING O SLABBING

73. Mecanismos de falla- Estallido de rocas
74

74. Empujes del terreno-Rock burst
75

75. Fallas por Rock Burts
76

76. CUÑAS DE ROCA

77. Incidencia en el tamaño de la excavación
78
Sin cuñas de roca

78. METODO GRAFICO
79

79. Influencia discontinuidades
80

80. Caso de desprendimiento de una cuña de roca
81
Geometría del
túnel

81. Cuñas de roca
82

82. TERRENO QUE FLUYE

83. Mecanismo de falla- Terreno que fluye o corre
84
Terreno que corre –Running Ground

84. TERRENO QUE FLUYE
85

85. AGUA DE INFILTRACIÓN

86. Problemas de filtraciones de agua
87

87. Fallas por irrupciones de agua
Escuela Ciolombiana de Túneles 88

88. Problemas de filtraciones de agua
89

89. PROBLEMAS O MECANISMOS DE FALLA EN SUELOS

90. 91
• 1.FIRM GROUND= Permite colocar soporte primario Arcillas rígidas,
granulares cohesivos o cementados-.
• 2. RAVELING GROUND =Material se desprende y forma huecos= soporte
pronto----agua es importante -arenas y limos cohesivos
• 3. RUNNING GROUND =materiales sin cohesión= forepiling, escudos,
congelamiento, inyecciones (jet grouting)---agua importante---Soporte
inmediato = arena séca, gravas, que corren ángulo reposo
• 4. FLOWING GROUND= Agua con presión y terrenos cohesivos o no
cohesivos =drenajes inyecciones o congelamiento.
• 5. SQUEEZING GROUND= empujes= escudos y soporte rígido inmediato.=
arcillas blandas
Mecanimos de falla en túneles en suelo

91. SOSTENIMIENTO

92. Medidas de soporte frente a mecanismos de falla más
frecuentes
Mecanismo de
falla
CL F PA AM EN SP SC NC HP D I CC
1
Hinchamiento o
swelling
X(1) X
2
Squeezing
Ground
X X X X X X X X(2)
3 Cuñas de roca X X X
4
Cargas de
desprendimiento
X X X X X x x x
5
Terreno que fluye-
Flowing groung
X X X
7
Terreno que
Rueda- running
groung
X X X X X X X x x
8 Creep x x x x
CL= Concreto lanzado
F=fibra
PA=pernos de anclaje
AM= Arcos metálicos
EN= enfilajes
SP= Sección parcializada
SC= solera curva
D= huecos de drenaje
I= inyecciones
NC = núcleo natural central de
sostenimiento
HP= Hueco piloto
PFV= Pernos de fibra de vidrio al
frente
CC= Revestimiento completo en
concreto convencional
1. Pernos en el piso
2. En casos de empujes altos
o severos

93. Pernos

94. Objetivo del reforzamiento con pernos

95. Efecto de los Pernos
96

96. Efecto de los Pernos
97

97. Pernos colocados en la Bóveda de grandes
excavaciones
Forman un anillo de roca alrededor del túnel que ayuda en
la preservación de la resistencia de la masa y en el proceso
de estabilización y de control de las deformaciones,
controlando que se prolongue el espesor de zona plástica

98. Tipo de pernos
99
Pernos con
resina o lechada
Pernos con
expansión
mecánica

99. Tipos de Pernos de Anclaje
Cables o tendones Inyectados con lechada
Inyectados con Resina

100. Tipo de pernos
101
Perno Split Set
Pernos
Swellex

101. Resultados de ensayos de carga –Pernos según Hoek

102. Aporte del sistema de pernos radial con la
longitud de los pernos- Reforzamiento de la
masa de roca
Reducción del espesor
de zona plástica
Reducción de las
deformaciones radiales
Aumento de la
presión de soporte
interna equivalente
por reforzamiento
de la masa de roca

103. Concreto lanzado

104. Esquema de aplicación con robot
105

105. Macro fibras metálicas vs sintéticas
• Fibras metálicas:
Mejor comportamiento a bajas
deformaciones.
– La primera fisura se
presenta a mayor
carga.
– Carga máxima superior
que en fibras sintéticas.
Ductilidad
Fuente: Asocreto

106. • Fibras sintéticas:
Mejor comportamiento a altas
deformaciones.
– Menor caida de
capacidad de carga
posterior a la
fisuración.
– Mantiene su capacidad
de carga
Fuente: Asocreto
Resistencia residual
Macro fibras metálicas vs sintéticas

107. Comentarios sobre fibras de refuerzo para concreto lanzado
• El empleo de fibra sintética es más económico; sin embargo, puede representar una
disminución en la durabilidad del soporte o revestimiento, cuando es sometido a cargas
permanentes como creep del terreno.
• La combinación de fibras permite una reducción en el costo (Entre el 15 y el 20%),
disminuyendo un poco la carga máxima pero mejorando la capacidad de carga residual.
Seguro
Inseguro
25mm 25mm
Carga Carga
Deformación Deformación

108. Arcos metálicos

109. 110
Métodos de Diseño de arcos
• Clasificaciones Geomecánicas= Empíricos (dan recetas para el uso de soporte p.e
arcos)
• Terzaghi-1946
• Bieniawski Rock Mass Rating)-1976-1989
Barton( Q- Quality Index)-1974
Wickham( RSR- Rock Structure Rating)-1972
• Métodos estructurales Analíticos para el diseño del arco
Protor & White-1946
Biron et al.-1980
Hoek et al.-1980

110. Categorías de Soporte Estimadas de Indice Q

111. Métodos de diseño-Análisis estructural del arco-Protor
& White o Biron y otros
112
b
qv (carga-t/m)
h
Ax By
Ay By
Momento
negativo(-)
Momento
positivo (+)
Área
Inercia o modulo de
rigidez
Espaciamiento
Secciones muy robustas

112. Métodos de diseño-Análisis estructural del
arco
113
b
qv (carga-t/m)
h
Ax By
Ay By
Momento
negativo(-)
Momento
positivo( +)
Reducción de
momentos flectores
y cortantes- Arco
trabaja más
axialmente –
Consecuentemente
secciones de arcos
menos pesados

113. Análisis confinamiento del arco en relación con el
factor de momento flector
114
Factor de momento para un HPR con relacion H/B=1 en diferentes grados de confinamiento
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0 2 4 6 8 10 12 14
Punto sobre el arco
Valorfactor
Factor de momento con 0% de confinamiento Factor de momento con 50% de confinamiento
Factor de momento con 100% de confinamiento
Amplificación del factor por
momentoAumento
confinamiento

114. TIPOS DE PERFILES MAS UTILIZADOS EN LA
FABRICACIÓN DE CERCHAS :
PERFIL HEB
PERFIL IPN / UPN
CERCHAS RETICULADAS
:
PERFIL Ω (THN)

115. Cargas en arcos metálicos

116. Sistemas de arcos
Enfilaje o forepoiling
Lattice girder o viga reticulada

117. Análisis interacción soporte ( arcos – concreto lanzado ) y
roca

118. Análisis estructural – Diagramas de capacidad
estructural método numérico
Diagrama de
Momentos
Axial Cortante
Diagrama capacidad
estructural- Cortante
vs Axial
Diagrama capacidad
estructural-
Momento vs Axial

119. Análisis para diferentes materiales- Arco y concreto
lanzado
Momento flector
Axial
Cortante

120. Diagrama de capacidad estructural de elementos
combinados( Arco- concreto lanzado)

121. Diagramas de capacidad estructural
Diagrama de
capacidad
estructural
Arco metálico
Diagrama de
capacidad
estructural
Concreto
lanzado

122. REVESTIMIENTO

123. TÚNELES VIALES
• Confort y seguridad( Iluminación,
ventilación, visibilidad, superficies secas, etc)
• Estabilidad a largo plazo
Conceptos Generales - Revestimiento-operación

124. • Mejorar las condiciones de iluminación y
ventilación
• Para mejorar visibilidad
• Por confort de los usuarios
• Por seguridad y estabilidad
• Para captar y manejar el agua de
infiltración. Sistemas de
impermeabilización con membranas u otros.
PROPÓSITOS REVESTIMIENTO

125. • Revestimiento = Estructura generalmente en
concreto que reviste la cavidad y está generalmente
en contacto con el terreno.
• Algunos indican que para terrenos con RMR> 50 el
revestimiento no tiene ningún objeto estructural
sino estético. Hay túneles sin revestimiento que
permanecen estables.
• El tipo de roca y el soporte colocado durante
construcción define si aplica estructuralmente o no.
p.e Expansión, creep, aflojamiento, roca blanda y
agua son factores determinantes.
Conceptos generales

126.  Costo y tiempo de mantenimiento
 Reflexión de luz alta y no difusa-por
Visibilidad
 Superficie no absorbente resistente al agua,
aceite, hollín, lavable con detergentes
 Resistente al envejecimiento y a la corrosión
atmosférica dentro del túnel.
 Resistente al fuego. No debe contribuir en
humos nocivos en un incendio.
 Reemplazable cuando se daña y removible
para acceso de servicios ubicados detrás de
este.
 Espesor mínimo siguiendo la sección
transversal del túnel.
Criterios para seleccionar revestimiento

127.  Aplican para revestimiento apoyados sobre la roca
 Mejoran el concepto de flexibilidad y compresibilidad-
Reducen efectos por cargas desbalanceadas
 Son inyecciones de lechada de cemento o mortero que
rellenan huecos existentes entre la roca y el
revestimiento.
 Generalmente dos huecos penetrando 0.30 m en roca a
15° a lado y lado del eje c/a 5 m
 Presiones de inyección menores a 0.2 Mpa
 Se usan lechadas más o menos gruesas
Conceptos de revestimiento-Inyecciones de
contacto

128. • Generalmente en roca y túneles profundos no se
requiere acero de refuerzo.
• Dado ambiente húmedo y uso de juntas es factible
reducir acero de refuerzo por retracción y fraguado-
Existen otros medios para control de retracción y
fraguado p.e uso puzolanas.
• El acero de refuerzo se requiere cuando hay:
 Terrenos expansivos
 En zonas de falla
 En juntas de unión de zapatas y contra bóveda para
dar continuidad estructural en caso de que se
requiera.
 Zonas de solicitación sísmica importante-p.e hacia
portales
Otros conceptos del revestimiento

129. • Es un problema de interacción terreno-estructura
• Cuando la instrumentación muestra que el túnel es estable con el
soporte, el revestimiento en concreto no recibe cargas del terreno.
• El revestimiento en concreto actúa como una membrana que
redistribuye cargas externas dependiendo del grado de flexibilidad que
este tenga.
• Si el valor de coeficiente de flexibilidad es superior de 20 para el espesor
de revestimiento analizado, es apropiado para absorber cargas
desbalanceadas o sísmicas, reduciendo el efecto de momentos flectores,
y esfuerzos cortantes sobre la sección.
Aspectos generales
Terreno
Revestimiento

130.  El revestimiento en un túnel vial es una estructura en
arco autoportante, donde si no hay cargas del terreno
esta puede ser analizada por cargas por peso propio.
 Si el material que se excava y permanece en estado
elástico o las deformaciones se han estabilizado con
un FS adecuado, el revestimiento no recibe cargas del
terreno.
 Para reducir su espesor y requerimientos de acero de
refuerzo se deben adoptar criterios de flexibilidad y
compresibilidad.
 Se diseña por carga externa. P.e agua fréatica detrás
acumulada por geomebrana impermeable, peso
propio. Solo cargas del terreno cuando
eventualmente hay empujes remanentes previo
registro de instrumentación.
Criterios para diseñar el revestimiento

131. Métodos de diseño

132. SAP 2000 U OTROS
Método de las reacciones híper-estáticas

133.  Métodos basados en líneas características= Parten
de hipótesis simples= geometría circular, cargas
hidrostáticas
 Cálculos basados en elementos finitos= permite
revisar el revestimiento para: a) geometría real,
b) anisotropía del medio, c) esfuerzos remanentes
del terreno o d) tipos de cargas por eventos de agua
o eventos sísmicos, d) interacción roca – estructura.
Métodos de diseño

134. SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN
Y DRENAJE

135.  Las infiltraciones ocasionan daños a
equipos, a la capa de rodadura,
revestimiento y por lo tanto
repercuten en la seguridad y confort
de los usuarios de la vía.
 Su presencia ocasiona altos costos de
mantenimiento de túneles viales.
CRITERIOS Y CONCEPTOS GENERALES

136.  El concepto en túneles viales es captar aguas y encausarlas a un colector general.
 Se debe evitar presiones de agua detras de los revestimientos mediante sistemas
elaborados de drenaje. Con esto se aumenta la seguridad y se reducen costos en el
revestimiento.
CRITERIOS GENERALES

137.  Inyecciones del terreno –costoso y no muy efectivo.
 Huecos de drenajes y tuberias o mangueras- para casos aislados y de agua concentrada
en fracturas
 Membranas o láminas impermeables- Sistema más común y efectivo
 Revestimientos en concreto poco permeables
 Colocación de aceros de refuerzo para reducir filtraciones es poco efectivo y costoso.
SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA

138. SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACION Y CONTROL DE AGUA

139. Control de aguas de infiltración
Sistema Oberhasli para drenaje de Tuneles
Fuente: Adaptado, (Rivas & Rey, 2005). Sistema Impermeabilización
Posterior de Túneles y Galerias
140
. Sistema control del agua, solución drenada.
Fuente: Adaptado, (BASF, 2014). Pre inyecciones de Excavación
para túneles en roca.
Sistemas de control y drenaje del túnel
Fuente: Adaptado. Manual de Túneles y Obras subterráneas.
(Jimeno, 1997) Lamina drenante con Geotextil
Fuente: Exposición Orión, 2017
Manejo de surgencias puntuales en un túnel.

140. Detalle de impermeabilización y drenaje
Viga base

141.  Impermeables
 Resistentes al fuego
 Durables
 Resistentes a los agentes químicos
 Fáciles de instalar y reparar
 Resistencia mecánica y térmica-
elástica; tracción o desgarramiento y
punzonamiento
Membranas Impermeables

142. Comparación de características PVC y PR

143. Otros aspectos – resistencia al fuego
Ante un incendio, estos elementos deben ser :
 Auto extingibles
 Reducir o evitar la producción de gases tóxicos
 No deben producir gota de llama, para así reducir fatalidades
dentro de los túneles, y garantizar seguridad vial.
 Tanto el policloruro de vinilo ( PVC) como el polietileno de alta
densidad( PHD) y el polietileno reticulado producen gases
tóxicos.

144. Detalles membrana

145. Sistemas de colocación – Concreto lanzado
Pernos especiales de fijación
Aplicación de
concreto Lanzado
Instalación de
arañas
• Se utiliza malla electrosoldada para aumentar
la rugosidad
• Se fijan por medio de pernos especiales y
“arañas” de fijación

146. Proceso constructivo

147. Nichos de parqueo
DETALLES TIPICOS DE LA SECCIÓN DE REVESTIMIENTO
TERMINADA

148. Fin