GEOLOGÍA APLICADA: TÚNELES Y REPRESAS

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    07-Aug-2015

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<ol><li> 1. CAPTULO 10 CONTENIDO 1. 2. 3 . 4 . 5 . 6. 7 . 8. 9 . 10. TUNELES Introduccin Investigaciones in situ Influencia de las condiciones geolgicas Parmetros geomecnicos de diseo Clasificaciones geomecnicas Estimacin de los sostenimientos por mtodos empricos Criterios de excavabilidad Mtodos de excavacin y de sostenimiento de tneles en roca Mtodos de construccin de tneles en suelos Consideraciones geolgico-geotcnicas durante la construccin </li><li> 2. Introduccin El aprovechamiento del espacio subterrneo consti tuye en la actualidad una de las alternativas ms id neas para el desarrollo de vas rpidas de comunica cin. A pesar de su mayor coste con respecto a otras soluciones de superficie, presenta cada vez mayores ventajas, tanto desde el punto de vista medio ambien tal como funcional (acortamiento de distancias, segu ridad, menor impacto ambiental, etc.). La mayora de los tneles se construyen para salvar un obstculo natural y permitir el acceso a vas de co municacin para transporte urbano (metros), transva ses y conducciones; o para unir islas o estrechos y pa ra pasos fluviales, en cuyo caso el trazado se efecta bajo una lmina de agua. Las excavaciones subterr neas estn estrechamente relacionadas con la energa y los recursos minerales (aprovechamientos hidroe lctricos, centrales, explotaciones mineras, almacena mientos subterrneos, etc.; Figura 10.1). Dentro de la amplia variedad de usos del espacio subterrneo, gran parte de los tneles se excavan para infraestructuras del transporte, basndose su diseo en la seguridad y la economa. Este captulo se centra en este tipo de excavaciones, particularmente en los tneles en roca. Los tneles se caracterizan por su trazado y sec cin, definidos por criterios geomtricos de glibo, Figura 10.1 Excavacin de una central hidroelctrica subterr nea (cortesa de J. Granero). Rgura 10.2 Secciones tpicas de tneles y sus denominaciones. TNEL FERROVIARIO SECCIN DE UN TNEL Contrabveda TNEL DE CARRETERA 4 8 8 i n g e n i e r a g e o l g i c a </li><li> 3. pendiente, radio de curvatura y otras con sideraciones de proyecto. Bajo el punto de vista de la ingeniera geolgica los datos ms significativos son la seccin, perfil longitudinal, trazado, pendientes, situa cin de excavaciones adyacentes, boqui llas y accesos intermedios. En la Figura 10.2 se muestran varias secciones tpicas de tneles y las denominaciones ms ha bituales. El sostenimiento se refiere a los ele mentos estructurales de sujecin del terre no, aplicados inmediatamente despus de la excavacin del tnel, con el fin de ase gurar su estabilidad durante la construc cin y despus de ella, as como garanti zar las condiciones de seguridad. El revestimiento se coloca con poste rioridad al sostenimiento y consiste en aplicar sobre dicho sostenimiento una ca pa de hormign, u otros elementos estruc turales, con el fin de proporcionar resis tencia a largo plazo al tnel y dar un acabado regular, mejorando su funcionali dad (condiciones aerodinmicas, imper meabilidad, luminosidad, albergar instala ciones y propiciar la esttica de la obra). Los estudios geolgicos-geotcnicos son absolutamente necesarios para poder proyectar y construir una obra subterr nea. En este captulo se describe la meto dologa bsica para la realizacin de estos estudios (Figura 10.3), cuyos objetivos son los siguientes: Condiciones geolgicas, geotcni- cas e hidrogeolgicas del trazado. Identificacin de puntos singulares o zonas de mayor complejidad geo lgica, hidrogeolgica o geotcnica. Clasificacin y sectorizacin geo- mecnica, propiedades y parmetros de diseo del macizo rocoso. Criterios geomecnicos para el cl culo de sostenimientos y mtodos de excavacin. Emplazamiento, excavacin y esta bilizacin de boquillas y accesos intermedios. Recomendaciones para la excavacin, sostenimientos y proceso constructivo del tnel. Tratamientos del terreno para la es tabilizacin, refuerzo, drenaje o im permeabilizacin del terreno. Datos del proyecto Trazado Seccin Perfil Emboquilles Datos geolgicos regionales y locales Sectorizacin geomecnica Clasificaciones geomecnicas Perfil de sectorizacin Parmetros de diseo geomecnico Resistencia y deformabilidad Tensiones naturales Filtraciones y presiones de agua T N E L E S 4 8 9 </li><li> 4. Investigaciones i n s i t u La importancia del conocimiento geolgico en los t neles ya fue puesta de manifiesto por Terzaghi: la geologa ms que ningn otro factor determina el grado de dificultad y el coste de una excavacin subterrnea. Este conocimiento no slo es necesa rio para proyectar adecuadamente el tnel, sino fun damental para evitar sobrecostes, accidentes y retra sos imprevistos. Las investigaciones geolgicas de los tneles son, en general, ms costosas que en otras obras de inge niera civil. Sin embado, el no dedicar suficientes medios a estos estudios puede conducir a situaciones imprevistas: Cuando el terreno no se investiga, el terreno es un riesgo. La inversin adecuada en los estudios geolgico-geotcnicos depende de la complejidad geolgica, longitud del tnel, espesor de recubrimientos, etc. y puede llegar al 3 % del presu puesto de la obra; por debajo de este porcentaje aumentan los casos de tneles con problemas y, por encima los imprevistos son mnimos (Waggoner y Daugharty, 1985). Ante la importancia, tanto tcnica como econmi ca, de las investigaciones in situ resulta esencial lle var a cabo una correcta planificacin de las mismas. Los criterios bsicos para planificar las investiga ciones in situ son las siguientes: Condiciones previas: Caractersticas geolgicas generales. Informacin disponible. Accesos. Presupuesto disponible. Estrategias a seguir: Planificar las investigaciones en varias fases sucesivas de intensidad creciente. Desarrollar al mximo las tcnicas de geolo ga de superficie. Situar los reconocimientos en zonas de im portancia para: - La interpretacin geolgica. - La identificacin de puntos singulares. - El estudio de zonas de emboquille y acce sos. Elegir y combinar adecuadamente las distin tas tcnicas de investigacin segn criterios de representatividad, complementariedad, ren tabilidad econmica y logstica (accesos, dis tancias, aprovisionamientos, etc.). Los mtodos de investigacin deben estar acordes con los objetivos, alcance y fases del proyecto (Cuadro 10.1), siendo importante identificar desde las etapas ms iniciales aquellos problemas geolgicos que pudieran ser condicionantes e incluso excluyentes, por su carcter de riesgo o de seria dificultad constructiva. Una de las tareas ms importantes en la pla nificacin de investigaciones es decidir la si tuacin de los sondeos. No existen reglas ge nerales, pero s ciertos criterios: Los sondeos deben cortar el mayor n mero de formaciones geolgicas repre sentativas del trazado del tnel, situndo los estratgicamente para que su longitud sea la mnima posible. Deben situarse de tal forma que aporten la mayor informacin para resolver la es tructura geolgica donde las incertidum- bres geolgicas sean mayores, incluyendo los problemas hidrogeolgicos, cortando lo ms perpendicularmente posible a las estructuras. Siempre que sea posible deben sobrepa sar la cota de solera prevista para el t nel, al menos el equivalente a un dime tro del mismo. Los sondeos se planifican de forma que permitan realizar en su interior distintas pruebas, como ensayos de permeabilidad, de tensin-deformacin y de geofsica. En las boquillas y accesos intermedios es fundamental situar suficiente nmero de sondeos para estudiar los problemas de estabilidad: identificacin de desliza mientos, filtraciones, espesor de zonas meteorizadas, etc. Su nmero depender de la complejidad de la zona, pero como pauta es conveniente situar un mnimo de 3 sondeos en cada zona de emboquille. Los mtodos de investigacin geofsica ms empleados son: la ssmica de refraccin en zonas de pocos recubrimientos, ensayos down-hole, cross hole y diagrafas en el interior de sondeos, y la ssmica de reflexin para el estudio de es- 4 9 0 IN G E N IE R A GEOLGICA </li><li> 5. CUADRO10.1 tructuras geolgicas profundas. Los ensayos hi- drogeolgicos ms habituales son los de per meabilidad tipo Lugeon y Lefranc y las medi das piezomtricas. Los ensayos geotcnicos in situ dependen del tipo de material y de la pro blemtica del tnel; algunos de los ms utiliza dos son los presiomtricos y los dilatomtricos, y en ocasiones los de hidrofracturacin. Fases, objetivos y contenido de las investigaciones in situ para tneles Fases y objetivos Tareas Contenidos Estudios previos Reconocimiento geolgico gpneral del trazado o corredores. Identificacin de riesgos apolgicos para la excavacin del tnel. Gasificacin geolgico- gpotcnica bsica de materiales. Planificacin de investigaciones para la siguiente fase. Anlisis de alternativas de trazados. Revisin de informacin Topografa. Hidrologa e hidrogeologa. Mapas geolgicos. Tneles y minas prximas. Sismicidad. Fbtointerpretacin Fotogramas en color y blanco y negro. Tcnicas especiales en zonas cubiertas de vegetacin. Teledeteccin. Reconocimientos geolgicos Geomorfologia y estabilidad de laderas. Litologas. Fallas y estructuras tectnicas. Datos hidrogeolgicos. Investigaciones in situ Sondeos espaciados. Geofsica en superficie. Interpretacin geolgico-geotcnica Mapas y cortes geolgicos (1:10.000 - 1:2.000). Anteproyecto y proyecto Seleccin del trazado y emboquilles. Estudio geolgico-geotcnico detallado. Evaluacin de los problemas gpolgico-geotcnicos y su incidencia en la excavacin. Caractersticas geomecnicas de los materiales. Criterios geomecnicos para el diseo. Recomendaciones para el sostenimiento, excavacin y tratamientos del terreno. Cartografa geolgica-geotcnica Litoestratigrafa. Estructura. Estaciones geomecnicas. Geomorfologia. Mapas a escala 1:2.000 1:500. Datos hidrolgicos e hidrogeolgicos Regionales y locales. Estimacin de caudales y presiones. Investigaciones geotcnicas Ensayos de laboratorio. Sondeos. Calicatas. Geofsica. Ensayos in situ. Interpretacin geolgica-geotcnica Clasificaciones geomecnicas. Propiedades geomecnicas. Recomendaciones para el sostenimiento y excavacin. Tratamientos del terreno. Construccin Control geolgico-geotcnico y auscultacin. Adecuacin del proyecto a las condiciones del terreno. Medidas de control de inestabilidades, filtraciones y tratamientos del terreno. Control geolgico-geotcnico Cartografa geolgica-geotcnica en el interior del tnel. Sondeos en avance, galera exploratoria, geofsica, ensayos. Auscultacin Instrumentacin geotcnica. Control de calidad Ensayos. Asistencia tcnica Seguimiento y control de ejecucin. Soluciones constructivas y tratamientos del terreno. T N E L E S 491 </li><li> 6. Recuadro 10.1 Gua para la planificacin de investigaciones en tneles FOTOINTERPRETACIN INVENTARIO DE TNELES Escalas 1:25.000 a 1:10.000. Recomendables las fotos en color. Radar en zonas de densa vegetacin. Trmicas: zonas de fracturacin con agua. Infrarrojo: delimitacin de caractersticas geolgicas mal definidas con otras fotos. Observaciones Tcnicas rpidas y desarrolladas. Bajo coste. Precisan verificacin en campo. Limitaciones en zonas cubiertas de vegetacin. Tiene por objeto conocer el comportamiento de tneles de la regin excavados en materiales y condiciones si milares a las del tnel en proyecto. Datos a incluir, corte geolgico, estructura, clasifica cin geomecnica. Datos geomtricos, sostenimientos y problemas de cons truccin y mantenimiento. Observaciones Permite efectuar anlisis a posteriori del comporta miento geomecnico, estabilidad y sostenimiento. Puede advertir sobre problemas existentes y transmitir experiencias. La informacin est supeditada a la accesibilidad y disponibilidad de datos. MAPAS GEOLGICO-GEOTCNICOS GALERAS Y TNELES PILOTO Escalas de estudios previos 1:10.000-1:2.000. Escalas de proyecto 1:2.000-1:500. El corte geolgico por el eje del tnel es el principal documento geolgico. Observaciones Tcnicas muy desarrolladas e imprescindibles. Relativamente econmicas. Sujetas a incertidumbres en funcin de la compleji dad geolgica y datos disponibles. Utilizadas en tneles de gran longitud y/o comple jidad. Observaciones Permiten la observacin directa y la realizacin de en sayos in situ, y el drenaje previo del terreno. Permiten la instrumentacin y realizacin de tratamien tos del terreno previos y durante la excavacin. Muy costosas y lentas. ESTACIONES GEOMECNICAS GEOFSICA Anlisis estructural de discontinuidades. Grado de meteorizacin del macizo rocoso. Datos hidrogeolgicos. Estado de fracturacin. Ensayos de clasificacin. Observaciones Precisan de datos estadsticamente representativos. Limitacin en zonas cubiertas por vegetacin, o por suelos o rocas muy alteradas. Elctrica: deteccin de fracturas, acuferos y contactos biolgicos. Ssmica de refraccin, downhole y crosshole: contac tos roca sana-meteorizada, ripabilidad, mdulos de de formacin, grado de fracturacin. Diagrafas en el interior de sondeos: obtencin de pro piedades in situ, como densidad, porosidad, velocidad de ondas, grado de fracturacin, etc. Ssmica de reflexin: permite estudiar la estructura geolgica en profundidad, fallas, pliegues, contactos, etctera. Observaciones Necesita contrastar resultados con otros datos de campo (sondeos, ensayos) y requieren una adecuada interpre tacin geolgica. Costes altos en ssmica por reflexin. 4 9 2 IN G E N IE R A GEOLGICA </li><li> 7. Recuadro 10.1 (continuacin) SONDEOS Objetivos: Investigar problemas geolgico-estructurales, zonas complejas o mal conocidas. Obtener datos de fracturacin del macizo y examinar los testigos. Obtener muestras y testigos para ensayos. Efectuar medidas hidrogeolgicas y ensayos en su interior. Equipos adecuados: Rotacin (a veces tricono). Dimetro mnimo NX. Tomamuestras de doble o triple tubo, wire-line en sondeos profundos. Medidas de desviacin en sondeos profundos. Testificacin geotcnica: Descripcin estandarizada del testigo del sondeo. Situacin de los sondeos: En boquillas, accesos y zonas geolgicamente complejas, y sistemticamente a lo largo del eje del tnel. Nmero: funcin de la complejidad, espesor de recubrimientos, accesos,costes, etc. Comoorientacin: 1 sondeo cada 50 a 100 m de trazado en zonas geolgicamente complejas, o de litologia muy variable. 1 sondeo cada 100 a 200 m en zonas ms uniformes. En zonas de emboquille un mnimo de 3 sondeos. Para tneles de ms de 1.000 m de longitud es recomendable una longitud total de sondeos al menos del 50% de la longitud del tnel. Para tneles de menos de 1.000 m, el 75 % de su longitud. Para tneles de menos de 500 m, el 100 % de su longitud. Inclinacin: en general es mejor realizar sondeos inclinados que verticales; importante medir desviaciones en sondeos profundos. Observaciones Medio directo de obtener testigos. Permiten efectuar ensayos geotcnicos y pruebas hidrogeolgicas. Alto coste, procedimiento lento. Los accesos pueden ser un condicionante importante. ENSAYOS EN EL INTERIOR DE SONDEOS Estudio de discontinuidades y cavidades: cmaras de TV, o...</li></ol>