Construcción de Túneles: Historia, Conceptos, Caracterización Geotécnica y Gestión de Riesgos

A. Historia

1. ¿Cuál es el origen de los túneles?

R: El origen de los túneles es la minería.

2. ¿En qué túnel se empezó a usar la pólvora por primera vez? ¿En qué año?

R: Se usó la pólvora por primera vez para construir el Túnel de Malpas, en el Canal de Midi, desde 1666 a 1681. Tiene 155 m de largo.

3. ¿Cuándo se usó un escudo por primera vez para construir túneles bajo agua? ¿Cómo fue patentado ese equipo?

R: Cuando se construyó el túnel bajo el río Támesis, en Londres, Inglaterra, en terreno blando y con agua. Se usó la técnica del escudo de Brunel, patentada en 1818.

4. Nombre 3 túneles antiguos, construidos antes de Cristo, su uso, la fecha de construcción y sus dimensiones.

a) Túnel de Siloam o Túnel de Ezequías: uso como acueducto, 450 m.

b) Túnel Eupalinos: 1.036 m de largo, paso del canal y una o varias personas al costado.

c) Túnel de Posillipo: 705 m de largo, 4,5 m de ancho y 5 m de altura.

5. ¿Qué son los qanats? ¿Cómo se construyen?

R: Son túneles excavados en el desierto para captar aguas subterráneas. Se construyen a partir de numerosos pozos profundos que permiten generar un canal profundo en pendiente, hasta salir a la superficie del terreno.

6. ¿Cómo es un arco de medio punto? ¿Quiénes lo usaron?

R: Es una bóveda semicircular, el túnel se completa con paredes rectas y verticales, y piso plano.

7. ¿Qué es “De Re Metallica”? ¿Cuál es su importancia?

R: Es un libro que trata sobre los metales y describe los métodos de extracción que usaba la minería de ese entonces, con numerosos y detallados grabados. Se editó en 1556 y estuvo vigente por 200 años. Lo escribió Georgius Agrícola, un médico, químico y mineralogista alemán.

8. ¿Cómo se construyó el primer túnel bajo un río? ¿Cómo se llamó el equipo utilizado?

R: Se ha mencionado que el primer túnel de la historia, según algunos historiadores, se realizó bajo el río Éufrates, desviando el río y creando una zanja a cielo abierto, donde se construyó el túnel y luego se cubrió con terreno (por eso se denominó túnel falso).

Por otra parte, el primer túnel minero ejecutado bajo un río fue el túnel bajo el río Támesis, en Inglaterra, usando un escudo metálico y aire comprimido. El escudo fue patentado por Marc Brunel en 1818.

9. ¿Por qué es tan importante el aporte de K. Terzaghi a la historia de los túneles?

R: Porque el profesor Karl Terzaghi logró unir la teoría con la práctica, logró comprender el porqué funcionaban los soportes de túneles de la época, algo que no se había logrado. Los túneles se construían, pero no existía una teoría que los respaldara. Su aporte fue el libro “Theoretical Soil Mechanics” editado en 1943. Por otra parte entregó la primera clasificación geotécnica que permitía estimar la carga sobre los túneles en base a la descripción del macizo rocoso.

10. ¿Cuál es la mejora del método NATM sobre la teoría de Terzaghi?

R: El método NATM (New Austrian Tunnelling Method) propone utilizar la capacidad resistente del macizo rocoso, de manera que la carga sobre los soportes disminuye. Además, los soportes no son pasivos, sino activos, reforzando la masa rocosa haciéndola más fuerte. Propone además encontrar el equilibrio entre la descompresión de la masa rocosa y la solicitación sobre el soporte mediante la medición de deformaciones.

B. Conceptos Básicos

1. ¿Cuál es el esfuerzo principal de un arco?

R: El esfuerzo principal de un arco es la compresión.

2. ¿Cómo puede explicar el fenómeno del “efecto de arco” en un túnel?

R: El efecto de arco es la capacidad del terreno para tomar su propia carga por encima de unos dos diámetros de túnel, similar a lo que ocurre en un silo de granos. El terreno bajo estos dos diámetros es lo que carga el soporte del túnel.

3. ¿Cuál sería la carga máxima sobre un túnel?

R: La carga máxima sobre un túnel serían 3 diámetros de altura de roca suelta. Este valor coincide con la distancia de influencia de un túnel en un medio elástico perfecto.

4. ¿Cuál es valor probable del coeficiente de empuje en reposo para suelos? ¿Cuál es el rango de valores para el coeficiente de empuje en rocas? ¿Por qué esta diferencia?

R: En suelos el coeficiente de empuje en reposo (Ko) varía entre 0,3 y 0,5. En rocas el valor varía entre 0,5 y 3,5. En rocas el valor es mayor debido al tectonismo, es decir, el movimiento de las placas de la corteza terrestre.

5. ¿Cuál debería ser la forma de un túnel en un medio elástico perfecto si ko = 0,5?

R: Cuando el coeficiente Ko es menor a 1 quiere decir que la carga mayor es vertical, de manera que la forma óptima es la ovalada, con su eje mayor vertical. La relación entre las dimensiones ancho/altura también debería ser 0,5 para que las tensiones fueran iguales en todo el perímetro.

6. ¿Cuáles son las fallas típicas en túneles en roca? Describa las condiciones en que se producen.

R: Las fallas de los túneles en roca pueden ser de 4 tipos, las que se producen básicamente por la calidad o fracturamiento y el nivel de tensiones o profundidad:

La caída de bloques o cuñas.
El abovedamiento o caving.
El reventón de rocas o rockburst.
El flujo plástico o squeezing.

7. ¿Cuál es la falla más peligrosa en túneles excavados en suelos?

R: Es la falla tipo chimenea que se produce por el frente del túnel.

8. ¿Cómo afectan los sismos a los túneles excavados en rocas?

R: Los sismos no afectan mayormente a los túneles excavados en roca.

9. ¿Qué es el tiempo de autosoporte y el vano libre o vano crítico?

R: El tiempo de autosoporte es el tiempo que resiste sin desmoronarse un vano libre sin soporte. El vano libre es el menor valor entre el avance de la excavación y el ancho del túnel.

C. Caracterización Geotécnica

1. ¿Cuáles son las etapas de investigación que permiten construir un perfil geológico de un túnel?

Etapa 1: Estudios previos.
Etapa 2: Exploraciones in situ.
Etapa 3: Ensayos de laboratorio.
Etapa 4: Parametrización geotécnica.

2. ¿Cuáles son las características más relevantes de las discontinuidades para efecto de construir túneles?

Separación entre discontinuidades de una misma familia.
Orientación.
Rugosidad.
Abertura.
Relleno.
Presencia de agua.

3. ¿Cómo son las condiciones geotécnicas de un portal respecto a las condiciones del túnel a mayor profundidad en un macizo rocoso?

R: En la zona de los portales las condiciones geotécnicas de un macizo empeoran, por la mayor meteorización de la roca, el menor confinamiento y la presencia de agua.

4. ¿Cuáles son los elementos y herramientas que se pueden usar en terreno para obtener la resistencia de la roca matriz?

R: El martillo de geólogo, el martillo Schmidt o esclerómetro, y la máquina de ensayo de carga puntual.

5. ¿Cuál es la cantidad mínima de sondajes que se deberían realizar?

Un sondaje cada 50 m a 100 m en zonas complejas.
Un sondaje cada 100 m a 200 m en zonas uniformes.
En los portales 3 sondajes.
Para túneles de más de 1000 m, al menos una longitud de sondajes igual al 50% de la longitud del túnel.
Para túneles de menos de 1000 m un 75% de la longitud.
Para túneles de menos de 500 m un 100% de la longitud.

6. ¿Qué significa investigación de gabinete? ¿Qué información puedo obtener?

R: Es el trabajo que se hace en la oficina, antes de salir a terreno. Incluye la obtención de mapas geológicos regionales (SERNAGEOMIN), mapas topográficos regionales (IGM, Global Mapper), fotos aéreas (Google Earth, LandSat, Spot, IRS) datos de proyectos cercanos al sitio en cuestión. En esta etapa se pueden estudiar los trazados, las posibles secciones del túnel y un programa tentativo de prospecciones.

7. ¿Qué pasa en los portales de un túnel?

R: En las zonas de los portales se encuentra la roca meteorizada, también se encuentra la roca desconfinada y se encuentra el agua, que circula sobre la roca sana, todas condiciones desfavorables para construir un túnel. Además, para materializar los portales se deben realizar cortes en el macizo rocoso los cuales se deben analizar y estabilizar.

8. ¿En qué dirección es más probable que se produzcan las mayores tensiones horizontales in situ, en Chile?

R: En dirección Este-Oeste, ya que en esa dirección se mueven las placas tectónicas de Nazca y Sudamericana.

9. ¿Qué orientaciones de las discontinuidades son las más desfavorables para los túneles?

R: Las direcciones más desfavorables para los túneles es que se ejecute paralelo al rumbo de las discontinuidades o que las discontinuidades sean muy próximas a la horizontal.

10. ¿Cómo se forman los sinclinales y anticlinales?

R: Por los pliegues de la corteza terrestre.

D. Reglas del Arte

1. ¿Qué es un “commodity”? ¿Se puede tratar un túnel como un “commodity?

R: Es un bien que puede ser considerado como una “mercancía” que puede ser comprada por un precio y en un plazo preestablecido, ya que cumpliría características básicas que pueden cumplir varios proveedores. Los túneles no pueden ser tratados de esta manera porque existen numerosas incertezas que sólo se resuelven durante la construcción.

2. ¿Qué es el riesgo en un túnel?

R: Un riesgo en general es la probabilidad de que se produzca un evento dañino para el proyecto multiplicado por las consecuencias que puede tener. En el caso de un túnel las consecuencias pueden ser varias:

Riesgo para la seguridad y salud de los trabajadores.
Riesgo para la seguridad y salud de terceras personas.
Riesgos para las propiedades de terceros.
Riesgo para el medio ambiente.
Riesgos para el dueño en forma de retrasos o pérdidas financieras.

3. ¿Qué es un riesgo inaceptable? ¿Qué se debe hacer? ¿Cómo?

R: Un riesgo inaceptable es aquel que debe ser reducido al menos a la categoría de evitable, cueste lo que cueste. Se deben proponer medidas de mitigación y reevaluar el riesgo, hasta conseguirlo.

4. ¿Cuáles son los principales conflictos contractuales de un túnel?

R: Los principales conflictos provienen de:

Una selección inadecuada del contratista de obra.
Insuficiente información geológico-geotécnica.
Mala calidad de los estudios previos de ingeniería.
Falta de herramientas contractuales para resolver oportunamente las diferencias entre el mandante y el contratista, durante los trabajos.

5. ¿Qué es un DRB en túneles? ¿Para qué sirve?

R: El DBR o “Dispute Resolution Board” es un panel de expertos elegido y financiado por ambas partes, que participa desde el inicio del proyecto para resolver controversias, en forma previa al arbitraje.