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Excavación
Experiencias en el diseño y construcción de
túneles en la cordillera andina
En este artículo se analizan una serie de túneles andinos en los que los autores
han intervenido tanto en su fase de diseño como posteriormente, durante su
construcción. Hay que resaltar que la totalidad de los túneles analizados se
encuentran ya construidos, o su excavación, como es el caso de la CH La
Confluencia o el Túnel de Transporte de Toquepala, está muy avanzada. Esta
circunstancia permite obtener conclusiones muy interesantes tanto para el diseño
como para la construcción de futuros túneles. No se han considerado otros túneles
en los que se dispone de la ingeniería de detalle pero cuya construcción no se ha
comenzado. Todos los túneles se encuentran en territorio chileno salvo el túnel
Toquepala que está situado en la provincia de Tacna, en el Perú.
Palabras clave: ANDES, CONSTRUCCIÓN,
CONVERGENCIA, DISEÑO, GEOLOGÍA,
GUNITA, SECCIÓN, SOSTENIMIENTO,TÚNEL.
J. M. GALERA (*); P. ALAMÁN (*);
G. IBARRA (**); y C. QUIROGA (***)
(*) SUBTERRA INGENIERÍA; (**) SUBTERRA
INGENIERÍA LTDA (Chile);
(***) SUBTERRA PERÚ SAC.
os túneles analizados en este artículo,
que totalizan 35,5 km de túnel, tienen
en común su ubicación en el sector
centro-meridional de la cordillera andina, en
rocas de calidad media a buena, así como un
recubrimiento moderado que, en la mayor
parte de los casos analizados, oscila entre 90
y 450 m. Los túneles estudiados son viales,
hidroeléctricos y de infraestructura minera y
en un rango de anchura de excavación que
2
va desde 26 hasta 145 m de sección de excavación.
Se analizan tanto los datos de proyecto de
todos los túneles, como posteriormente su
validación y experiencias durante su construcción. El objetivo ha sido obtener conclusiones
de las experiencias tuneleras que permitan
aportar criterios de diseño para la ejecución
de futuras obras en la cordillera andina.
L
Túneles analizados
En la Tabla I se muestran las principales características de los túneles analizados. Se trata de doce túneles y siete adits o ventanas intermedias, que totalizan 35.408 m de túnel.
Como se ha indicado en la introducción
hay ocho túneles viales (Lo Prado 2, Zapata 2,
Manquehue 1, Manquehue 2a y 2b, Montegordo o Chamisero, y San Cristóbal C1 y C2), tres
túneles hidroeléctricos (Portillo, Tinguiririca y
HPT), uno de infraestructura minera (Toquepala) y siete adits. En la Fig. 1 se muestra la ubicación, dentro de la cordillera, de estas obras.
La anchura de excavación oscila entre 6,5
m y 13 m, si bien tanto en Manquehue 1
como en la entrada Sur del túnel C2 de San
Cristóbal se alcanzan anchuras muy superiores de hasta 24 m.
Características geométricas de los
túneles
A continuación se describen brevemente las características generales de las obras analizadas.
䡵 [TABLA I]
䡵 [Fig. 1]
a)Túneles de la Ruta 68 (Lo Prado 2 y
Zapata 2)
La primera obra analizada es la compuesta
por los túneles Lo Prado 2 y Zapata 2, que
forman parte de la Ruta 68, que une Santiago
de Chile con Valparaíso.
El conjunto de ambos túneles suma un total 3.647 m de excavación y 61 m de falso túnel. Los datos de diseño de ambos túneles
pueden consultarse en Celada y Ugarte
(1999).
Su sección fue diseñada con una superficie
de 82 m2. En la Fig. 2 se muestra la sección
funcional de los túneles de la Ruta 68.
䡵 [Figura 2]
.- Relación de los túneles
analizados.
46
203
.- Situación de los túneles analizados.
(Imagen tomada de Google Earth).
.- Sección funcional de los túneles
de la Ruta 68 (Celada y Ugarte, 1999).
Excavación
b)Túneles del Acceso Nororiente a Santiago (Manquehue 1, Manqehue 2 y
Montegordo).
El Acceso Nor-Oriente a Santiago es la segunda obra analizada, está compuesta por
cuatros túneles carreteros, Manquehue 1,
Manquehue 2, formado a su vez por los tubos derecho e izquierdo y Montegordo. En la
Fig. 3 se muestra la sección del primero de
ellos, que llama la atención por su anchura de
excavación, que es de 24 m, y una sección
2
de excavación de 144,9 m (González et al,
2008). Este conjunto de túneles suma un total de 3.055 m excavados y salvo el túnel
mencionado la sección de excavación es de
2
100 m .
d)Túnel de Transporte de la Mina Toquepala
El túnel de transporte de la Mina Toquepala,
actualmente en ejecución, es la cuarta obra
analizada. Esta formada por un solo tubo de
2
2.190 m de longitud y 34,6 m de sección, con
una anchura de excavación de 7,5 m y permitirá mejorar el sistema de transporte a la planta concentradora del mineral. La sección funcional se muestra en la Fig. 5.
䡵 [Figura 5]
.- Sección funcional del túnel de
la mina Toquepala
䡵
[Figura 3].- Sección funcional del Túnel
Manquehue 1 (Acceso Nor-Oriente a Santiago).
(González et al, 2008)
c) Túneles de San Cristobal (Túneles C1
y C2)
La tercera obra estudiada es el Túnel San
Cristóbal, que forma parte de la denominada
Variante Vespucio-El Salto-Kennedy. Está
compuesta por dos túneles carreteros gemelos, Oeste (C1) y Este (C2). Ambos suman un
total de 3.140 m excavados y 46 m de falso
túnel. La sección de las excavaciones dispone
2
de una superficie de 75,3 m mostrada en la
Fig. 4, salvo la entrada Sur del eje C2 donde
se alcanza un anchura de excavación de 24
m. (Contreras et al, 2008).
䡵 [Figura 4]
.- Sección funcional de los túneles
de San Cristobal (Contreras et al, 2008).
b) Túneles de la Central Hidroeléctrica
La Confluencia (Túneles Portillo, Tinguiririca, HPT y adits).
Por último, se han analizado los túneles que
forman la central hidroeléctrica de La Confluencia. Esta consta de tres túneles, Portillo, Tinguiririca y HPT, así como un conjunto de adits. El
total de los túneles suma 23.377 m excavados
2
con secciones que varían desde los 25,6 m
para el HPT (High Pressure Tunnel) a los 35,3
2
m de sección para el resto de los túneles con
un anchura de excavación de 6,5 m.
En la Fig. 6 se muestra la sección típica de
los túneles de Tinguiririca y de Portillo, que corresponden a una anchura de excavación de
unos 6,3 m, siendo algo mayor en los adits y
䡵 [Figura 6]
.- Sección funcional de los túneles
Portillo y Tinguirirrica.
47
203
por contar, menor en el mencionado túnel
HPT.
Características geologico-geotécnicas
del terreno
En este apartado se realiza una breve descripción geológico-geotécnica de las condiciones
de terreno en el que se encuentran los túneles.
a) TÚNELES DE LA RUTA 68
Los túneles Lo Prado 2 y Zapata 2 se encuentran situados en el Sector Central de la Cordillera de la Costa, en la transversal entre Santiago y Valparaíso, bien estudiado en la tesis
de Elgueta (1970).
En esta cordillera afloran, fundamentalmente, materiales pertenecientes al basamento paleozóico y granitos pertenecientes a
la orogenia hercínica (Granito de la Costa) en
el Túnel Zapata 2 y a los materiales de edad
mesozoica (Formación Lo Prado y Granito
Central) en el Túnel de Lo Prado. En este túnel cabe destacar sendas fracturas N-70º-E y
N-40º-E, y dirección preferente de fracturas
de orientación aproximada N-150º-E (34%);
N-130º-E (25%) y N-S (25%). De todo lo anterior se puede deducir una clara tendencia de
fracturas de orientación comprendidas entre
N-S y NNW-SSE.
A título de ejemplo en la Fig. 7 se muestra
el perfil del Túnel de Lo Prado.
b)ACCESO NOR-ORIENTE A SANTIAGO
La zona de estudio se localiza dentro de los
denominados Cordones Precordilleranos nororientales de la Cuenca de Santiago. Concretamente dentro de la cadena montañosa de
Manquehue que con una directriz aproximada
Norte-Sur constituye un relieve bien marcado
en la ciudad que finaliza en el cerro San Cristóbal. Este cordón ha sido profundamente analizado por Aguirre (1960).
La unidad geológica principal corresponde
a secuencias estratificadas de materiales volcánicos y volcano sedimentarios pertenecientes a la Formación Abanico de edad mesozoica. Dentro de esta formación intruyen stocks,
diques y cuellos volcánicos de naturaleza andesítica, granodiorítica y dacítica.
c) TÚNEL DE SAN CRISTOBAL
Los túneles se encuentran en el mismo cordón precordillerano anterior. Por tanto los materiales excavados pertenecen a las rocas volcánicas y continentales estratificadas de la formación Abanico (Cretácico Superior a Oligoceno). También están presentes algunos depósitos de rocas intrusivas del Mioceno (Unidad Intrusiva I y II). Finalmente, en el portal Sur
existen depósitos no consolidados de naturaleza coluvial.
Se han considerado dos unidades geológicas (Contreras et al, 2008) que son las mis-
Excavación
䡵 [Figura 7]
.Perfil
geológico –
geotécnico
del Túnel de
Lo Prado
(Tovar et al,
2001).
䡵 [Figura 8
.Perfil
geológico –
geotécnico
del Túnel de
San
Cristobal
(Contreras
et al, 2008).
mas que pueden distinguirse en los túneles
del Acceso Nor-Oriente:
• Lava andesítica y niveles vulcanoclásticos: las lavas son mayoritariamente andesitas y andesita porfídicas mientras
que las rocas piroclásticas están constituidas por tobas. Esta formación está levemente plegada (N-S a N-20º-E), buzando entre 15º y 25º hacia el Este.
• Rocas intrusivas. Corresponden a depósitos, diques y tubos volcánicos intrusivos a la Formación Abanico. Pueden diferenciarse andesitas porfíricas y andesitas porfíricas hidrotermales alteradas
A título de ejemplo en la Fig. 8 se muestra
el perfil del Túnel C1 de San Cristóbal.
d) TÚNEL DE TRANSPORTE DE TOQUEPALA
Las rocas que se están excavando en este túnel son de naturaleza riolítica y andesítica pertenecientes al grupo Toquepala de edad cretácica. De forma minoritaria existen diques y
otras instrusiones de dacitas, monzonitas cuarcíferas y latitas con presencia de turmalina,
ocurridos en el Terciario inferior.
La actividad tectónica regional está representada estructuralmente en el área por las fallas Incapuquio, Micalaco de orientación NW SE y el alineamiento Toquepala. El basamento
de Toquepala fue afectado por los movimientos de la segunda fase de la orogenia andina
(fase Inca) durante el Eoceno tardío o comienzos del Oligoceno.
La disposición de los materiales es sub-horizontal, salvo las intrusiones y brechas citadas
que son sub-verticales. En síntesis, pueden diferenciarse tres materiales dentro del túnel:
• Riolitas Toquepala
• Andesita Toquepala
• Rocas Intrusivas: formadas por intrusiones abisales, diques, brechas de turmalina, pequeños stocks, diatremas y cuellos volcánicos del Terciario inferior.
e) TÚNELES CH LA CONFLUENCIA
Los túneles de la Central Hidroeléctrica de La
Confluencia están situados en una zona que
evoluciona desde el Cretácico superior hasta las
erupciones del volcán Tinguiririca pertenecientes
al Cuaternario. La geología de la situación de los
túneles comprende cuatro formaciones:
• Formación Coya Machalí: es la formación
rocosa más antigua, perteneciente al Cretácico Superior. En esta formación pueden diferenciarse tres grupos, uno primero de andesitas, tobas andesíticas y brechas volcánicas, otro segundo, muy similar, formado por flujos de lava andesíticos,
tobas, brechas y conglomerados e intercalaciones de lutitas y areniscas; y finalmente uno tercero, compuesto de areniscas, lutitas y tobas cineríticas, con intercalaciones de conglomerados aislados.
• Formación Farellones: compuesta por flujos de lava andesítica y dacítica, brechas
volcánicas andesíticas y tobas. Pertenece al Terciario medio – inferior.
• Complejo intrusivo granodiorítico: Se
compone principalmente por granodioritas grisáceas, con pequeños cuerpos de
monzogranodioritas y dioritas oscuras.
Esta formación se ha incluido en el Terciario Medio.
• Complejo volcánico Tinguiririca: Se encuentra en las laderas y zonas de drena48
203
je del volcán Tinguiririca, se compone de
depósitos de Ignimbrita, flujos de lava basáltica y depósitos de tobas ignimbríticas.
Estas dos últimas formaciones sólo afectan
al túnel Portillo y sus adits.
La estratificación del valle del Río Tinguiririca tiene alineación aproximada NS buzando
45º hacia el Oeste, prácticamente paralelo al
trazado del túnel. En el valle del río Azufre va de
NS a NNE-SSO con un buzamiento varía desde los 25º a los 45º hacia el este o sudeste..
Los planos de discontinuidad principales
se corresponden con fallas verticales o subverticales, también se han observado planos
de discontinuidad coincidentes con los planos
de estratificación.
f) SÍNTESIS DE LOS TERRENOS ANALIZADOS
De una manera sintética se dispone de casos
en las diez litologías siguientes:
- Granodioritas, mayoritariamente del sustrato paleozoico asociado a los cordones
precordilleranos, y en menor medida,
pertenecientes a intrusiones terciarias.
- Pórfidos, mayoritariamente de naturaleza
andesítica del Cretácico y en menor medida, asociados a intrusiones terciarias.
- Andesitas, en su práctica totalidad de
formaciones volcánicas y volcano-sedimentarias del Cretácico y Terciario.
- Riolitas, pertenecientes a formaciones
volcánicas mesozoicas.
- Basaltos, asociados a formaciones volcánicas cuaternarias.
- Brechas volcánicas, en su práctica totalidad de formaciones volcánicas y volcanosedimentarias del Cretácico y Terciario.
Excavación
- Diques, en su mayoría intruyen durante
el Terciario.
- Lutitas y tobas líticas, en su práctica totalidad de formaciones volcano-sedimentarias del Cretácico y Terciario.
- Milonitos de falla, tanto de naturaleza
brechoíde como arcillosa.
Los casos analizados corresponden en su
mayoría a formaciones de edad mesozoica
(formaciones Toquepala, Lo Prado, Abanico,
Farallones y Coya Machalí), que son mayoritariamente de naturaleza volcánica, riolítica y andesítica, y/o volcano-sedimentaria, con lutitas
rojas y rocas piroclásticas como litologías predominantes.
En menor medida hay experiencias en rocas intrusivas, salvo en pórfidos donde existen
numerosos casos, y en el granito de la costa,
en el túnel de Zapata.
Finalmente en el túnel Portillo se reportan
experiencias ligadas a formaciones volcánicas
recientes.
Características de los sostenimientos
tipo
En función de los las calidades del material
presente en los trazados se dispusieron diferentes secciones tipo, estas debían englobar
todos los terrenos identificados en la fase de
estudio. A continuación se describen las secciones tipo empleadas en cada proyecto.
En la Tabla II se muestran las secciones
tipo utilizadas en la construcción de los túneles
Lo Prado 2 y Zapata 2, así como el ámbito de
aplicación de cada una de ellas.
En la Tabla III están reflejadas las secciones
tipo empleadas en la construcción de los túneles del Acceso Nor-Oriente a Santiago.
Se dispuso una cuarta sección tipo para
zonas de falla con valores de RMR menores
de 40 puntos. Esta consiste en una capa de
sellado de 3 cm, dos capas de hormigón proyectado de 15 y 10 cm, cerchas metálicas TH29 cada metro, con contrabóveda y un revestimiento consistente en una capa de hormigón
proyectado de 10 cm sin fibras.
Para la ejecución de los túneles de San
Cristóbal se diseñaron una serie de secciones
tipo, las cuales están reflejadas en la Tabla IV.
En la Tabla V se muestran las secciones
tipo previstas para el proyecto constructivo del
túnel de la Mina Toquepala.
Finalmente, en la Tabla VI se muestran los
sostenimientos empleados en la Central Hidroeléctrica de La Confluencia.
Distribución de los sostenimientos
empleados
A partir de los porcentajes de cada sección
tipo usados en la construcción de cada túnel
se puede llegar a extraer de manera aproxi-
[Tabla II].Secciones
Tipo
empleadas
en la Ruta
68 (modificado de
Tovar et al,
2001). .
[Tabla III].Secciones
Tipo
empleadas
en el
Acceso NorOriente a
Santiago
(modificado
de González
et al, 2008).
[Tabla IV].Secciones
Tipo
empleadas
en el Túnel
de San
Cristobal.
(modificado
de
Contreras et
al, 2008).
[Tabla V].Secciones
Tipo
empleadas
en el túnel
de transporte
de
Toquepala.
mada la calidad de la roca que atraviesan los
diferentes túneles analizados. En las Tablas
VII, VIII, y IX se muestran los porcentajes empleados en la construcción de los túneles de la
Ruta 68, Acceso Nor-Oriente, y San Cristóbal,
respectivamente.
En el caso de los túneles que forman la
50
203
Ruta 68, las tres primeras secciones tipo acumulan cerca del 85%, lo que pone de manifiesto que se trata de una roca buena a muy
buena.
De los porcentajes de cada sostenimiento
empleados en los túneles del Acceso NorOriente a Santiago, se observa que las dos
Excavación
䡵 [TABLA VI]
.Secciones
Tipo
empleadas
durante la
construcción
de la CH La
Confluencia.
Cabe destacar la tendencia lineal según la
cual aumenta proporcionalmente la longitud de
los bulones con la anchura de la excavación,
en una relación de un tercio la anchura de la
excavación. No obstante, se observa que una
longitud de tres metros, es la longitud de perno más empleada para rangos de excavación
de 12 a 6 m.
La siguiente relación estudiada compara la
densidad de bulonado con la calidad de la roca
sobre la que se disponen expresado a través de
su RMR. A partir de los datos obtenidos en el
estudio de las excavaciones se ha desarrollado
el criterio de diseño expuesto en la Tabla X.
䡵 [TABLA X]
.- Criterio de aplicación para los
bulones.
䡵 [TABLA VII]
.Distribución
de las ST
empleadas
en la
construcción
de los
túneles de
la Ruta 68
(Tovar et al,
2001).
䡵 [TABLA VIII]
.Distribución de
las ST empleadas
en la construcción
de los túneles
del Acceso NorOriente a Santiago
(González et al,
2008).
䡵
[TABLA IX].Distribución
de las ST
empleadas
en la
construcción
de los
túneles de
San Cristóbal
(Contreras et
al, 2009).
en excavación correspondiendo las rocas
atravesadas a una calidad de media a buena.
Análisis de los criterios de diseño
Una vez recopilada toda la información, a continuación se presentan los resultados que se obtienen de su análisis de cara a tratar de ofrecer
criterios de diseño y aplicación para los diferentes
elementos que componen el sostenimiento de
un túnel. Así se ha analizado por separado los criterios con los cuales se han colocado bulones,
hormigón proyectado y cerchas metálicas.
Bulones
Del estudio de los campos de aplicación de los
bulones cabe destacar la relación existente entre la longitud del bulón con respecto a la anchura de la excavación y la densidad superficial de bulones con respecto al RMR.
Como se observa en la Fig. 9 existe una relación según la cual la longitud de los bulones
aumenta con la anchura de excavación. Para
la elaboración de esta figura se han comparado los datos de todas las excavaciones analizadas, comparando los datos de la longitud
de los bulones en cada una de ellas con la anchura máxima de excavación.
primeras secciones tipo suman alrededor del
85% del trazado, por lo que los materiales
que atraviesa el trazado se pueden clasificar
como buenos a muy buenos.
El terreno que atraviesan los túneles de San
Cristóbal, se puede denominar como bueno a
muy bueno, pues las tres primeras secciones
tipo suman más del 75% del túnel.
Por lo que respecta al túnel de La Confluencia y al de Toquepala, están actualmente
El criterio de diseño para la aplicación de bulones respecto del RMR nos indica que para
valores del RMR por debajo de 35 puntos no
se aplican bulones. Solamente en caso excepcionales en San Cristóbal y La Confluencia se
han empleado pernos por debajo de este valor,
al objeto de estabilizar algunas secciones con
pernos autoperforantes (Contreras et al, 2008).
En el rango comprendido entre 35 y 60
puntos la densidad de bulones se encuentra
2
entre 0,20 y 0,35 ud/m y para valores del
RMR por encima de 60, la densidad disminuye
2
hasta valores incluidos entre 0,20 y 0,35 ud/m .
Como es de esperar a medida que el
RMR disminuye la cantidad de bulones por
unidad de área aumenta, hasta llegar al límite
de aplicación, situado en 35 puntos, a partir
del cual se recurre a otros elementos de soporte, como son las cerchas metálicas.
Hormigón proyectado
En segundo lugar, se han analizado los diferentes campos de aplicación para los distintos espesores de hormigón proyectado empleados
en cada sección tipo.
Este análisis se ha realizado considerando
la litología y la calidad del macizo rocoso expresado por su RMR. Así en las Figs. 10 y 11
䡵 [Figura 9]
.Relación
entre
longitud de
bulones
empleados
y la
anchura de
excavación.
51
203
Excavación
Analisis de las convergencias
䡵 [Figuras 10 y 11]
.- Relación entre espesor de hormigón proyectado y RMR para andesitas y
pórfidos andesíticos.
䡵 [Figura 12].- Relación entre espesor de hormigón proyectado y RMR.
se muestra esta tendencia para pórfidos andesíticos y andesitas respectivamente.
A partir de todas las litologías se ha elaborado la Fig. 12, en la que muestran los diferentes
espesores de hormigón proyectado para cada
RMR, diferenciando entre litologías. Como se
puede observar en la Fig. 12, el espesor de
hormigón proyectado va disminuyendo a medida que mejora la calidad de la roca, estando
comprendidos entre 5 y 15 cm los valores del
espesor más habituales. Cabe destacar que los
mayores espesores de hormigón proyectado
se corresponden con las zonas de falla, así
como con los menores valores del RMR.
diferencia decae, no siendo tan notable la influencia del recubrimiento en el espaciado de
las cerchas.
Para la elaboración del estudio se han analizado los datos de monitoreo de los túneles del
Acceso Nor-Oriente a Santiago, de San Cristóbal y de los túneles de la CH La Confluencia.
En el estudio se han analizado la influencia del
RMR, del recubrimiento y la sección tipo, en
las convergencias unitarias medidas.
Al objeto de hacer más válido el análisis solamente se han tenido en cuenta secciones de
medida que han sido instaladas a una distancia del frente menor de 25 m, desechando el
resto de las estaciones de medida.
En la Fig. 13, se puede observar el modo
en que la convergencia va disminuyendo a
medida que aumenta el RMR. En la figura se
ha representado la línea de tendencia, a través
de la cual se puede apreciar la evolución asintótica de la convergencia a medida que aumenta el RMR. No obstante, debe concluirse
que existe una enorme dispersión en los datos
por lo que tampoco puede obtenerse una relación determinada.
Cuando se analiza la convergencia en función del sostenimiento aplicado, se observa
claramente que a medida que la sección está
diseñada para una roca de menor calidad, la
convergencia aumenta. En la Fig. 14 están representadas las convergencias medidas en los
túneles de la CH La Confluencia.
䡵 [TABLA XI]
.Criterio de
aplicación para
las cerchas
metálicas.
Cerchas metálicas
La aplicación de cerchas metálicas está destinada habitualmente a materiales de baja calidad
y a zonas comprometidas como emboquilles.
Cabe destacar que en los túneles analizados se
han empleado tanto marcos reticulados, como
deslizantes (tipo TH), y rígidos (tipo HEB).
A partir de los datos analizados se deduce
claramente que los criterios de aplicación de cerchas responden no obstante, no sólo al RMR del
terreno, si no también al recubrimiento existente.
De acuerdo a ambos parámetros, en la Tabla XI,
se muestra los resultados que se obtienen.
No se ha observado influencia alguna de la
litología en la aplicación de cerchas metálicas,
no obstante está íntimamente ligada al RMR y
la profundidad de la excavación. A partir de
los 400 m de recubrimiento el límite entre espaciados disminuye 10 puntos de RMR, salvo para valores del RMR bajos en los que la
䡵 [Figura 13].- Relación entre convergencia y RMR.
䡵 [Figura 14]
.Convergencia
para cada
sección tipo
en los
túneles de
la CH La
Confluencia.
52
203
Excavación
El empleo de cada sección tipo viene condicionado por la calidad de la roca en ese punto, es decir, por el RMR y el recubrimiento.
Este segundo gráfico no viene sino a confirmar
la relación existente entre convergencia y
RMR, para rocas de menor calidad la convergencia será mayor.
Otras consideraciones
constructivas
Por último se han analizado otras incidencias
acaecidas durante la construcción. Para ello se
han agrupado los problemas en cinco tipos
distintos de riesgos geotécnicos: la presencia
de flujos importantes de agua hacia la excavación, la presencia de fallas (faulting), el riesgo
de que se generen plastificaciones intensas
(squeezing) en el terreno alrededor del túnel, la
posible ocurrencia de estallidos de roca o
rockbursting y, por último, la posibilidad de que
se generen fenómenos de expansividad o hinchamiento (swelling).
a ) Flujo de agua
En general no han existido problemas de
agua importantes. De hecho tanto en los túneles de Zapata, en los del acceso Nor-Oriente, como en San Cristóbal y Toquepala, la presencia de agua se ha reducido a goteos y/o
flujos de cuantía inferior a unos pocos
litros/segundo (< 2 l/s).
Solamente en los túneles de Lo Prado y
sobre todo, de La Confluencia, la presencia
de agua ha sido apreciable con valores superiores a 10 l/s. De hecho, en uno de los adits
de esta última obra se alcanzaron flujos superiores a 200 l/s que por su singularidad, no ha
sido considerado en este trabajo.
De una forma simplista puede afirmarse que
los flujos de agua más importantes han tenido
lugar con recubrimientos superiores a 200 m (Lo
Prado y Tinguiririca) o, todo lo contrario, atravesando bajo cauces existentes con poco recubrimiento (Tinguiririca bajo el estero La Gloria).
La gran variabilidad no permite establecer
conclusiones claras, debiendo en cada caso,
analizarse la probabilidad de que existan flujos
importantes de agua hacia la excavación.
b) Aguas ácidas
De forma independiente del caudal de
agua, la presencia de aguas ácidas supone un
notable riesgo durante la excavación de un túnel, que puede ser muy importante si no se ha
previsto y se han adoptado las medidas oportunas (empleo de cementos sulfo-resistentes,
etc). En los túneles analizados no se han encontrado aguas ácidas, si bien en túneles andinos puede esperarse su existencia ligado a
zonas de alteración hidrotermal.
c) Fallas (faulting)
La ocurrencia de fallas de significado geo-
técnico es directamente proporcional a la longitud del túnel. Si bien en la totalidad de los túneles analizados se han atravesado zonas de
falla con diferentes características de su tectonización, han sido las milonitas de naturaleza
más arcillosas, las que han conllevado una
mayor dificultad constructiva. Cabe destacar
las experiencia citadas y analizadas por Tovar
et al (2001) y Contreras et al (2008) en relación
a fallas en Lo Prado y en el túnel C1 de San
Cristóbal.
Zonas de fracturación menores se han atravesado en otros túneles como en Montegordo
y La Confluencia.
d) Plastificación intensa (squeezing)
Este problema se ha analizado teniendo en
cuenta la convergencia medida, que ha sido
presentada en apartados anteriores. De todos
los túneles estudiados solamente se ha tenido
plastificaciones importantes en Lo Prado, en
San Cristóbal, y en La Confluencia.
Mientras en San Cristóbal las convergencias importantes están en relación a una falla
arcillosa con recubrimiento moderado (90 m),
en los otros tres túneles (Lo Prado, Tinguiririca
y Portillo), lo están en relación a formaciones
lutíticas (sedimentarias del cretácico: Abanico
y Coya – Machalí) con recubrimiento moderado (menor a 250 m) o a formaciones andesíticas fuertemente fracturadas con RMR inferior
a 40 puntos, y recubrimientos medios (por encima de 400 m).
Dada las circunstancias peculiares y específicas de cada uno de estos casos, en este
trabajo no se analizan.
e) Estallido de roca (rockbursting)
El estallido de roca o rockbursting es un fenómeno bien conocido en la cordillera de Los
Andes y existen en Chile, antecedentes, por
ejemplo en la mina El Teniente, donde se producen con cierta frecuencia este tipo de incidencias. Es en túneles, como el caso en el
Perú, del Túnel Los Olmos, que se está excavando con una máquina tunelera de 5,33 m de
diámetro, y con recubrimientos en torno a
2.000 m donde se han reportado problemas
muy importantes de estallido de roca.
Para que se genere un estallido de rocas
son necesarias dos circunstancias. Una que la
roca sea muy rígida y por tanto capaz de soportar tensiones importantes con poca deformación, almacenando esta como energía; y
otra segunda, que exista un escenario de fuertes tensiones naturales, lo que va asociado a
grandes recubrimientos y/o escenarios tectónicos de fuertes tensiones horizontales o tensiones muy asimétricas derivadas de la orografía en túneles profundos.
En los túneles analizados, no se han registrado problemas de estallido de roca. Como
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se ha comentado la práctica totalidad de los
casos analizados están comprendidos con recubrimientos entre 90 y 400 m. Solamente en
una parte pequeña del túnel Portillo se alcanzan puntualmente los 650 m de recubrimiento.
Cabe destacar que en este caso se han reportado problemas asociados a lajamientos (spalling) de roca en los hastiales del túnel. De
acuerdo a estas consideraciones se considera
que existe una peligrosidad moderada de estallido de roca siempre que se verificaran las
tres condiciones siguientes simultáneamente:
- σci (UCS) > 140 MPa
- RMR > 60
- Recubrimiento H > 700 m.
f) Expansividad (swelling)
Los problemas de expansividad deben
considerarse secundarios en el caso de los túneles analizados. Sin embargo se han detectado problemas de hinchamiento en formaciones vulcano-sedimentarias, como es el caso
de las formaciones Lo Prado, Abanico y Coya
Machalí, todas del Cretácico.
Así se han registrado problemas de expansividad residuales en la primera de ellas, formación Lo Prado en el túnel del mismo nombre, que no exigieron tratamientos especiales.
Sin embargo, en la Formación Coya – Machalí, equivalente en parte en edad a la formación
Abanico, y muy similar en su facies sedimentaria, existen dos casos bien documentados en
los que se ha detectado problemas de expansividad ligados a lutitas y limonitas rojizas de
fuerte componente arcilloso, así como en tobas líticas. En efecto, estas litologías presentan
en su matriz componentes de hematites y arcillas expansivas tales como la nontronita y la
montmorillonita.
Así mismo es posible asociado a alteraciones hidrotermales, que se generen arcillificaciones básicamente de tipo sericítico, y por
tanto no expansivas, pero también con esmectitas.
Puede por tanto afirmarse que en las litologías más finas, por presencia de lutitas y/o tobas, debe vigilarse la posible expansividad de
estos materiales. Las experiencias vividas ponen de manifiesto que esta capacidad de hinchamiento es inversamente proporcional al valor del SDI (Slake Durability Index), de forma
que cuanto menor es este índice los materiales
son potencialmente más expansivos.
Los ensayos realizados ponen de manifiesto una buena correlación entre los valores del
índice de plasticidad y el slake frente al hinchamiento libre y a la presión de hinchamiento, de
manera que, los valores de expansividad son
irrelevantes para SDI superiores a 80, muy
moderados para valores comprendidos entre
60 y 80, y medios a elevados para los casos
en los que el SDI es inferior a 60.
Excavación
Conclusiones
De la experiencia en el diseño y construcción de túneles en la cordillera andina se pueden extraer las siguientes conclusiones:
- Los espesores más habituales de hormigón proyectado empleados oscilan entre
5 y 15 cm. A partir de un valor del RMR
de 30 hay un salto apreciable, alcanzándose en algunos túneles espesores de
hasta 35 cm.
- La longitud de los bulones más empleada es un tercio de la anchura de la excavación.
- No se emplean bulones para macizos rocosos con RMR inferior a 35 puntos.
Para valores de RMR comprendidos entre 35 y 60 puntos, la densidad de bulonado oscila entre 0,45 y 0,35 ud/m2,
mientras que si el RMR es superior a 60,
la densidad varía entre 0,35 y 0,2 ud/m2
- La tipología de cerchas metálicas empleadas abarca Marcos TH (deslizantes),
HEB (rígidos) y reticulados (Lattice girders). Su colocación es a partir de valores de RMR de 35 a 45 pero su instalación difiere hasta en 10 puntos de RMR
según que el recubrimiento sea superior
o inferior a 400 m.
- En menos del 5 % de los casos las convergencias superan los 2 cm, que en
cualquier caso supone menos del 0,5 %
de deformación.
- Todos los casos con convergencia superior al 0,5 % de deformación están asociados a valores de RMR inferiores a 40
puntos, siendo mayores cuanto más pesado es el sostenimiento tipo.
- Para recubrimientos inferiores a 400 m
no se han registrado problemas tensionales importantes. Para recubrimientos
superiores a 600 m y con asimetría orográfica se han registrado problemas menores de spalling en los hastiales.
- En las litologías más finas, por presencia
de lutitas y/o tobas, existentes en formaciones de tipo volcano-sedimentario,
debe vigilarse la posible expansividad de
estos materiales. Para esta vigilancia el
SDI constituye una herramienta muy simple de detección.
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