El túnel, relevante componente de las obras civiles

En este artículo se aborda el tema de los túneles y lo que pasa en el subsuelo al ser excavados. Se mencionan los datos básicos que deben tomarse en cuenta para su diseño, se describen someramente las etapas de su proceso constructivo y se establece por qué es importante observar sistemáticamente su comportamiento.

Desde tiempos históricos (y quizás antes) se tienen claras evidencias del uso de túneles y obras subterráneas para satisfacer necesidades humanas básicas, como el acceso a templos religiosos, conducción de agua para irrigación o para suministro de agua potable a los primeros centros de población o unidades habitacionales subterráneas de varios niveles. En México existen ejemplos de túneles mineros, peatonales, ferroviarios, carreteros, para conducción de agua, para vialidades y servicios urbanos, y obras subterráneas tales como plantas hidroeléctricas (véase figura 1), almacenes de hidrocarburos, estacionamientos, etc. En el mundo, además de los ejemplos anteriores, se tienen túneles para canales navegables y para barcos.

De manera simple, puede decirse que un túnel es un conducto excavado bajo la superficie del terreno con la intención de librar algún obstáculo o para tener un acceso preferente entre dos puntos; por lo general, su longitud es de un orden superior al de su ancho y altura.

Se le llama microtúnel cuando su diámetro externo es menor a 3 m, y túnel falso cuando se construye sobre un lecho rocoso o dentro de una excavación a cielo abierto que posteriormente se tapa para restituir la superficie original del terreno. Por su parte, una obra subterránea es la que se construye bajo la superficie del terreno, siendo su longitud, ancho y altura del mismo orden de magnitud. Este artículo se referirá exclusivamente a los túneles excavados bajo la superficie del terreno.

Qué pasa en el subsuelo al excavar un túnel

En principio, al excavarse un túnel se provoca una notable afectación de los esfuerzos preexistentes en el medio donde se realiza, lo cual genera una concentración de esfuerzos alrededor del hueco excavado para formar el túnel y ello da lugar a una presión secundaria en la que predominan esfuerzos de compresión.

Si la resistencia del material vecino al túnel es superior a los esfuerzos generados por la excavación, se formarán (como acto reflejo) uno o varios anillos de carga, que tenderán a evitar el colapso del hueco abierto, pero si ocurre lo contrario, el material vecino se romperá o plastificará, y hará fallar al túnel.

Si los esfuerzos generados son similares en magnitud a la resistencia del material vecino al túnel, se generarán deformaciones y desplazamientos del subsuelo asociados a una movilización del estado de esfuerzos, que eventualmente tenderán a una favorable estabilización del hueco excavado; en caso contrario, si no se refuerzan convenientemente las paredes del hueco excavado, se podría generar una falla progresiva. Como complemento a lo expresado hasta aquí, cabe añadir las siguientes definiciones:

El túnel, relevante componente de las obras civiles a. Soporte inicial: es la estructura que se adosa a las paredes del túnel recién excavado para estabilizarlas, cuando el subsuelo no tiene capacidad de autosoportarse. b. Tiempo libre de soporte: se refiere al tiempo que permanece estable el terreno recién excavado antes de instalar su soporte inicial. c. Efecto de bóveda: es una favorable configuración estabilizadora tridimensional de esfuerzos asociada al frente del túnel en proceso de excavación, que actúa como un apuntalamiento temporal, y el cual también se aprovecha como si fuese un escudo protector para colocar su soporte inicial. d. Efecto anular: es una menos favorable configuración estabilizadora bidimensional de esfuerzos, que se genera cuando el frente se aleja de la zona excavada. e. Revestimiento definitivo: es el que se instala después de haber construido el túnel; su diseño depende principalmente del uso que tendrá.

La función del soporte inicial es equivalente a la del esqueleto en el cuerpo humano, mientras que la del revestimiento definitivo se puede comparar con la de la piel. En algunos casos, el soporte inicial es a la vez el revestimiento definitivo.

Bases de diseño

Considerando que el diseño geométrico de un túnel haya sido realizado, el siguiente paso será llevar a cabo su diseño geotécnico/estructural, y también el de su procedimiento constructivo.

Para su diseño geotécnico/estructural hay que considerar que la naturaleza pone la materia prima y el ser humano la mano de obra, por lo cual debe investigarse con detalle la estratigrafía y propiedades geotécnicas de los geomateriales (suelos o rocas) que serán afectados por la construcción del túnel.

Para tal fin, debe llevarse a cabo un amplio programa de exploración recuperando muestras de los materiales que serán afectados por el proceso de tuneleo y realizando ensayes, tanto de campo como de laboratorio, en las muestras recuperadas, para determinar su clasificación y sus propiedades geotécnicas. No menos importante es identificar la eventual presencia de agua en el subsuelo.

La actual tendencia en el diseño de túneles en suelos y en rocas poco competentes se basa en análisis numéricos, una especie de laboratorios virtuales que permiten identificar probables mecanismos de falla y calcular deformaciones y esfuerzos, para ayudar a definir y asegurar la estabilidad del túnel durante su construcción y vida útil. Para tal fin se utilizan programas de cómputo como Plaxis, FLAC, midas, etc., que además permiten considerar geometrías de la sección transversal del túnel más cercanas a la realidad –lo que no se logra con los procedimientos analíticos–, a la vez que posibilitan analizar complicados procesos constructivos, que incluyen comportamientos complejos de los geomateriales.

Para los macizos rocosos, se cuenta con procedimientos empíricos como el criterio generalizado de Hoek y Brown, que utiliza el índice de calidad GSI (Geological Strength Index) y el criterio RMR (Rock Mass Rating) debido a Bienawski.

Proceso de construcción Comúnmente llamado tuneleo, el proceso de construcción de un túnel incluye las siguientes actividades: trazar, procurar accesos, excavar, rezagar, estabilizar el frente, soportar las paredes y revestir.

Trazar se refiere al hecho de ubicar topográficamente en el terreno lo que se indica en los planos de proyecto del túnel.

Los accesos son las puertas desde las cuales se lleva a cabo el proceso constructivo del túnel; son comúnmente pozos verticales (lumbreras) cuando la obra se realiza bajo terrenos relativamente planos, como ocurre en las grandes ciudades, y emportalamientos en zonas de topografía agreste, como ocurre en las zonas montañosas. El proceso constructivo de los pozos (lumbreras) y de los emportalamientos escapa de los alcances de este texto.

Excavar es labrar en el terreno el hueco donde se alojará el túnel, aplicando procedimientos artesanales o mecanizados. En suelos o en roca poco competente, se pueden utilizar herramientas manuales, excavadoras convencionales o desbastadoras (rozadoras). En rocas competentes es muy utilizado el procedimiento de barrenación y voladura, especialmente en túneles cortos o

El túnel, relevante componente de las obras civiles de gran sección transversal. En estos casos, los avances que se logran son del orden de 7 a 11 m por día.

Cuando los túneles por construir son de gran longitud y tienen una sección transversal circular con diámetro menor a 19 m, es factible utilizar máquinas de tuneleo o TBM (véase el apartado “Sistemas de tuneleo”) habilitadas con cabezas de corte, tanto en suelos como en rocas, con las cuales es posible agilizar el proceso constructivo y se obtienen avances de entre 20 y 40 m por día. Cabe mencionar que ya se cuenta con ejemplos aislados de túneles mineros no circulares excavados mecánicamente con una TBM.

Rezagar es un término acuñado localmente, que se refiere al retiro sistemático del material excavado en el frente del túnel. Para ello se utilizan vagonetas sobre rieles, camiones de volteo, bandas transportadoras, bombas centrífugas y bombas de pistón (véase figura 3).

Se requiere estabilizar el frente cuando el medio donde se excava el túnel no tiene suficiente resistencia para conservar su estabilidad ante la concentración tridimensional de esfuerzos que genera la excavación. Para ello pueden colocarse anclas temporales, o mediante máquinas de tuneleo aplicar aire comprimido, lodo o el mismo material en proceso de excavación.

La principal función de soportar las paredes es conservar estable la excavación donde se alojará el túnel cuando la resistencia del medio no es suficiente para contrarrestar la concentración bidimensional de esfuerzos generada por aquella. Esto se logra mediante marcos metálicos con retaque de madera o bien concreto lanzado con o sin anclas radiales, cuando se aplican procedimientos de excavación artesanales, y dovelas prefabricadas de concreto cuando se utilizan procedimientos mecanizados para suelos o para rocas poco competentes. Cabe añadir que, cuando el material por excavar tiene muy baja resistencia, se utilizan escudos que procuran un soporte temporal inmediato de las pa- u La actual tendencia en el diseño de túneles en suelos y en rocas poco competentes se basa en análisis numéricos, una especie de laboratorios virtuales que permiten identificar probables mecanismos de falla y calcular deformaciones y esfuerzos, para ayudar a definir y asegurar la estabilidad del túnel durante su construcción y vida útil. Para tal fin se utilizan programas de cómputo que además permiten considerar geometrías de la sección transversal del túnel más cercanas a la realidad –lo que no se logra con los procedimientos analíticos–, a la vez que posibilitan analizar complicados procesos constructivos, que incluyen comportamientos complejos de los geomateriales. redes, mientras se da tiempo a la colocación del soporte inicial requerido. El revestimiento constituye el “acabado” del proceso constructivo de un túnel; su principal objetivo es proteger las paredes del túnel de los degradantes efectos del intemperismo, al tiempo que se procura un revestimiento acorde con el uso del túnel.

Sistemas de tuneleo

Los notables avances de la tecnología tunelera han permitido desarrollar verdaderas fábricas rodantes que industrializan el proceso, al integrar eficientemente la excavación y estabilización del frente, el soporte temporal de las paredes recién excavadas, la remoción sistemática de la rezaga, la colocación del soporte inicial permanente, la guía computarizada de la máquina, etc. Para ello se forman trenes, donde la máquina de tuneleo, que incluye una cabeza de corte giratoria al frente, actúa como la locomotora, y en los varios vagones que arrastra sobre rieles se incorporan los diversos equipos que se requieren para construir el túnel (véase figura 4). La máquina de tuneleo avanza con ayuda de gatos hidráulicos perimetrales, que reaccionan contra los anillos de dovelas del soporte inicial que va colocando sistemáticamente, o bien contra placas de fricción apoyadas contra las paredes, cuando no se requiere soporte inicial.

Monitoreo del comportamiento

Heterogeneidad es la palabra clave que podría utilizarse para definir a los materiales y sus propiedades geotécnicas del medio donde se construyen túneles. Es por ello que, aunque se realicen numerosas pruebas de campo y de laboratorio para determinar sus propiedades, prevalecerá la incertidumbre en cuanto al comportamiento real que tendrá el túnel diseñado y construido con base en la información geotécnica obtenida.

Por supuesto que, con información geotécnica confiable, se puede alcanzar un razonablemente seguro diseño y posterior construcción de la obra. No u Los notables avances de la tecnología tunelera han permitido desarrollar verdaderas fábricas rodantes que industrializan el proceso, al integrar eficientemente la excavación y estabilización del frente, el soporte temporal de las paredes recién excavadas, la remoción sistemática de la rezaga, la colocación del soporte inicial permanente, la guía computarizada de la máquina, etc. Para ello se forman trenes, donde la máquina de tuneleo, que incluye una cabeza de corte giratoria al frente, actúa como la locomotora, y en los varios vagones que arrastra sobre rieles se incorporan los diversos equipos que se requieren para construir el túnel. obstante, siempre será recomendable asegurarse de que los pronósticos de comportamiento estén dentro de los márgenes previstos y, en caso contrario, tener la oportunidad de corregirlo.

De ahí surge la necesidad de monitorear el comportamiento del túnel, tanto durante su construcción como durante su vida útil; destacan las revisiones sistemáticas de sus diámetros internos (convergencias y divergencias) y eventualmente registro de las cargas actuantes sobre su soporte inicial; también de las presiones externas que recibe.

Se promueve entonces, para el beneficio de la obra, una virtuosa interrelación entre el diseño, la construcción y el monitoreo.

Conclusiones

Los túneles ofrecen una eficiente solución ingenieril a los múltiples problemas de las obras civiles urbanas que deben resolverse en las ciudades congestionadas, donde se convierten en una excelente opción para formar vías de comunicación, conducciones de agua, instalación de servicios urbanos, etc., además de ser una puerta de entrada al estratégico espacio subterráneo. También permiten optimizar el diseño y la construcción de carreteras y vías férreas en espacios suburbanos de topografía agreste acortando distancias y mejorando sus especificaciones de diseño. Las grandes presas de almacenamiento con sus conductos para agua de riego y las casas de máquinas subterráneas alimentadas con sus tuberías de presión también se benefician con la tecnología tunelera.

De acuerdo con los avances de la tecnología, es posible ahora utilizar equipos y procedimientos de construcción novedosos que permiten acortar los tiempos de construcción sin sacrificar la seguridad de los túneles

Referencias

Hoek, E., y E. T. Brown (1980). Excavaciones subterráneas en roca. McGraw Hill.

Széchy, K. (1970). The art of tunnelling. Budapest: Akadémiai Kiadó.

Bibliografía

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Maidi, B., M. Herrenknecht y L. Anheuser (1996). Mechanised shield tunnelling. Berlín: Ernst & Sohn.

Sandstrom, G. E. (1963). The history of tunnelling. Londres: Barrie and Rockliff.

Rangel, J. L. (Coord.) (2022). Ingeniería geotécnica de túneles. México: Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica.

Wulff, H. E. (1968). The qanats of Iran. Scientific American (4)218: 94-105.

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JOSÉ DOMINGO FIGUEROA PALACIOS

Ingeniero civil con maestría en Planeación.

Asesor financiero en proyectos de asociaciones público–privadas y consultor en valuación de empresas y marcas. Profesor de Finanzas en el posgrado de la UNAM. Presidente nacional del Instituto Mexicano de Ejecutivos de Finanzas.