REVISTA VECTOR 48 DICIEMBRE 2012 by REVISTA VECTOR DE LA INGENIERIA CIVIL

Túnel

EMISOR ORIENTE RETOS Y SOLUCIONES EN MATERIA DE DESAGÜE

Túnel Xaltepec

La técnica minera de

Herrenknecht Nuevas Aplicaciones

Tuneladora

de escudo mixto para instalación científica

Aspectos de seguridad en los

Túneles Carreteros

Mexicanos

Revista de difusión de la Federación Mexicana de Colegios de Ingenieros Civiles, A.C.

Vector

Nº 48 Diciembre 2012 Costo

$ 50.00

Indice

Vector Diciembre 2012

En portada

AMIVTAC

•Túnel Emisor Oriente Retos y soluciones en materia de desagüe/4

Instituto Mexicano de la Construcción en Acero

•Colaboraciones Especiales —Túnel Xaltepec en Xalapa, Veracruz/6 —Aspectos geotécnicos a considerar en el hincado de tubería prefabricada de concreto reforzado de 1.83 m de diámetro interno mediante el método de microtuneleo en suelos blandos/12—Tuneladora de escudo mixto para instalación científica/21 —Nuevas Aplicaciones La técnica minera de Herrenknecht/26 —Distribución de esfuerzos alrededor de un túnel de sección circular, excavado con TBM, obtenida mediante el método del elemento infinito, variando la rigidez de la TBM y el porcentaje de contracción del medio./30 —Aspectos de seguridad en los túneles carreteros mexicanos/41

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Editorial

Editorial Cozumel # 63-A • Col. Roma Norte C.P. 06700 México, D.F. Tel. (55) 5256 1978

Carlos Arnulfo López López Leopoldo Espinosa Benavides Roberto Avelar López Manuel Linss Luján Jorge Damián Valencia Ramírez Enrique Dau Flores CONSEJO EDITORIAL Raúl Huerta Martínez DIRECTOR GENERAL Daniel Anaya González DIRECTOR EJECUTIVO Patricia Ruiz Islas

DIRECTORA EDITORIAL Daniel Amando Leyva González JEFE DE INFORMACIÓN Ana Silvia Rábago Cordero COLABORACION ESPECIAL Historia de la ingeniería civil

Alfredo Ruiz Islas CORRECCIÓN DE ESTILO Nallely Morales Luna DIRECTORA DE DISEÑO Iman Diseño

Brenda Aurora Madrigal Dueñas DISEÑO GRÁFICO

Ernesto Velázquez García DIRECTOR DE DISTRIBUCIÓN Escuela Digital WEB MASTER

Construcción de túneles En el ámbito de la obra pública —particularmente, en las zonas urbanas—, la construcción de infraestructura subterránea suele ocupar el último lugar de prioridad en la planificación estratégica y, sobre todo, en la proyección presupuestal de los gobiernos. “Ojos que no ven, corazón que no siente”, dice el viejo refrán —tan cierto en materia amorosa como electoral—, y la situación, observada desde la perspectiva de los sondeos de opinión y otras formas de medir la popularidad de administraciones y funcionarios, es clara: pocas cosas pueden ser más nocivas para el renombre que una obra costosísima que, una vez concluida, está destinada a desaparecer de la vista de los contribuyentes, sin dejar —en apariencia— más que el mal recuerdo de las complicaciones viales provocadas por su construcción. Sin embargo, en este, como en muchos otros casos, las apariencias engañan. Con cada año que pasa —acompañado de su respectivos crecimientos demográfico y de demanda de servicios—, resulta cada vez más evidente el valor del subsuelo y más necesario acudir a él en busca de todo tipo de recursos, entre los que destaca, por supuesto, el espacio mismo: para transportar —objetos, agua, desechos— y transportarnos, para almacenar e, incluso, para habitar. Perforar la tierra y construir bajo ella son dos de las actividades más complicadas en el campo de la ingeniería civil debido, sobre todo, a la facilidad con la que, de súbito, puede cambiar de forma radical la composición del suelo por el que atraviesa la obra, por no hablar del peligro potencial de temblores e inundaciones. Como suele ocurrir, la ingeniería ha respondido a estos retos acelerando su desarrollo, al tiempo que sofistica sus técnicas y herramientas. El diseño y la construcción de túneles en México no ha sido la excepción, y con el apoyo de una opinión pública mejor informada, por una parte, y de gobiernos con mayor iniciativa, por la otra, es seguro que seguirá produciendo obras de calidad para enriquecer la infraestructura subterránea del país.

Carlos Hernández Sánchez DIRECTOR DE PROYECTOS ESPECIALES Herminia Piña González DIRECTORA COMERCIAL Myrna Contreras García DIRECTORA DE ADMINISTRACIÓN Dimensiona Artes Gráficas, S.A. de C.V. IMPRESIÓN

“Ellos han tallado un túnel de esperanza a través de la oscura montaña de la desilusión”. Carta desde la cárcel de Birmingham,

Martin Luther King (1929-1968).

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(55) 5256.1978 www.revistavector.com.mx Búscanos en Facebook: Vector Ingeniería Civil REVISTA VECTOR de la Ingeniería Civil, Año 5, Número 48, Diciembre 2012, es una publicación mensual editada por Comunicaciones La Labor, S. A. de C.V. Cozumel 63 – A, Col. Roma Norte, Delegación Cuauhtémoc, C.P. 06700, Tel. 5256 – 1978, www.revistavector.com.mx, daniel.anaya@revistavector.com.mx •Editor responsable: Daniel Anaya González. Reservas de Derechos al Uso Exclusivo No. 04201- 010512575900-102, ISSN: (En trámite) Licitud de Título No. 14259, Licitud de Contenido No. 11832, ambos otorgados por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Permiso SEPOMEX No. IM09- 0754. Impresa Por Dimensiona S. A. de C. V., Francisco Álvarez de Icaza No. 9,Col.Obrera, C.P. 06800, Delegación Cuauhtémoc, México, D. F., Tel. 57615440. Este número se terminó de imprimir el 10 de Diciembre 2012 con un tiraje de 8,000 ejemplares. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Queda estrictamente prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor.

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Colaboración Especial

TÚNEL EMISOR ORIENTE (TEO) RETOS Y SOLUCIONES EN MATERIA DE DESAGÜE

l norte de la ciudad de México y con una longitud de aproximadamente 62 km, se encuentra en construcción la obra de drenaje más importante de nuestro país en las últimas décadas, consistente en un túnel de 7 m de diámetro terminado, 25 lumbreras y un portal de salida, obra destinada a la conducción de aguas residuales y considerada entre la obras de Ingeniería como el túnel de drenaje más largo del mundo. Para la construcción de este túnel se están utilizando 6 máquinas tuneladoras tipo EPB (Earth Pressure Balance) que excavan actualmente a profundidades que van desde 28 m hasta 152 m a través de una gran diversidad de materiales, pasando desde los suelos blandos típicos del Valle de México (de origen lacustre) hasta los más consistentes localizados al norte en el Estado de Hidalgo (en la sierra de Nochistongo), atravesando una zona de transición en el Estado de México (depósitos mixtos) La excavación del túnel en tales condiciones de suelos planteó un serio reto en materia de diseño. Para su construcción se adquirieron 3 tuneladoras de la firma Herrenknecht (de 8.74 m de diámetro y 3 de la firma ROBBINS de 8.93 m de diámetro) estableciéndose que cada una trabajara en uno de los seis tramos en los que se dividió el trazo del Proyecto, con el fin de cumplir con los programas contractuales. Independientemente de las dificultades que representó el atravesar los suelos blandos de los primeros 2 tramos donde se localizan depósitos lacustres arcillosos muy deformables y de muy baja resistencia al corte, se detectó que el túnel atravesaría por sitios con carga piezométrica importante a partir de la lumbrera 10 en adelante (tramos 3, 4 y 5), variando en términos generales desde 2 hasta 7 bares de presión, y atravesando por escenarios difíciles tales como basaltos y frentes mixtos (roca y suelos arcillo-arenosos) que dificultan el avance de la máquina y obligan a realizar intervenciones o inspecciones al frente en la cámara de mezclado para revisar y cambiar periódicamente las herramientas de corte para dar continuidad a la excavación. Algunas inspecciones se harán bajo altas presiones de agua y será necesaria la utilización de buzos especializados para cambiar las herramientas en aquellos sitios donde no sea posible ingresar a la presión atmosférica (intervenciones hiperbáricas). En los tramos 5 y 6, la presencia de conglomerados fracturados, mezclas de brechas y fragmentos de rocas sueltas representan también un gran reto para la excavación de las máquinas existiendo la posibilidad de tener intervenciones hiperbáricas. Esta importante Obra es construida por el consorcio COMISSA.

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La construcción del Túnel Emisor Oriente (TEO) es considerada la obra de drenaje más grande del mundo, a cargo del consorcio mexicano COMISSA.

Constructora Mexicana de Infraestructura Subterránea S.A. de C.V. (COMISSA) Av. Central S/N, Renovación Jajalpa, C.P. 55040, Ecatepec de Morelos, Estado de México Teléfonos: 51 16 87 34, 51 16 76 97, 51 16 77 35

Colaboración Especial

TÚNEL XALTEPEC EN XALAPA,VERACRUZ

Ing. Carlos Zorraquino Junquera

Director de Proyectos (Constructora Autopista Perote-Xalapa) czorraquino@isoluxcorsan.com

Antecedentes y entorno

a autopista Perote-Xalapa es una obra de nueva construcción que incluye la autopista Xalapa-Perote y el Libramiento de la ciudad de Xalapa. Con esta vía se comunica el puerto de Veracruz con el centro de la república evitando el paso de mercancías por el centro de la ciudad de Xalapa y evitando la peligrosa subida al puerto de Perote, con lo que se consigue un importante ahorro de tiempo (del entorno de 1 hora en total) así como un incremento en la seguridad de las comunicaciones ya que esta nueva vía está construida con una velocidad de proyecto de 110 km/h y en sección tipo A4. La autopista se divide en dos fases, la primera, que entró en funcionamiento el pasado mes de julio de 2012, se inicia en el Libramiento de Perote y termina en el entronque Piedra de Agua – Banderilla que da acceso a Banderilla y a Xalapa. La segunda, cuya entrada en servicio está prevista para diciembre de este mismo año se inicia en el entronque Piedra de AguaBanderilla y finaliza en la autopista Xalapa-Veracruz a la altura de la comuni-

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dad de Corral Falso (constituyendo el libramiento de Xalapa). En total la autopista tiene una longitud de 68 km con 3 entronques (Perote, Piedra de Agua-Banderilla y Corral Falso) 2 puentes especiales de doble voladizo y el túnel Xaltepec lo que reporta una inversión total de más de 5,000 mdp. El túnel Xaltepec se ubica en el inicio del Libramiento de Xalapa junto al entronque Piedra de Agua – Banderilla.

Fig 1.- Situación y emplazamiento del túnel

El entorno geológico del túnel se caracteriza por situarse en un alto formado por una colada volcánica que da lugar a una capa de basaltos bajo la que subyace un estrato de toba volcánica con clastos redondeados de tamaño decimétrico y matriz arcillosa.

Colaboración Especial

Diseño del túnel

Sostenimiento

La sección funcional del túnel es una sección de gran área (142.25 m2 útiles) que permite albergar los 4 carriles de la autopista con un gálibo libre de 5.50 m. El trazado en planta es una recta y el trazado en alzado es una pendiente continua del 5% ascendente en dirección Veracruz. La longitud total del túnel es de 342 m de los cuales 270 m se corresponden al tramo excavado en mina y 72 m (52+20) se corresponden con los falsos túneles.

El sostenimiento del túnel se basa en dos secciones tipo principales, en el portal Perote la sección excavada ha sido completamente en roca por lo que el sostenimiento se ha basado en marcos metálicos IR203x31.2 @1m y un recubrimiento de concreto lanzado de 25 cm. Estos marcos son continuos hasta la base de la excavación con la finalidad de que una vez ejecutada la losa inferior se forme una sección cerrada con un rendimiento estructural muy superior al de otras alternativas que dejan los marcos apoyados a media altura. Dado que la excavación se realiza en dos fases (avance y destroza) los marcos van provistos de una “pata de elefante” que sirve de apoyo temporal durante la construcción y garantiza el funcionamiento del sostenimiento desde su colocación. En el portal Veracruz se encontró que la sección estaba compuesta por un techo de basalto muy fracturado y un estrato inferior de brecha volcánica, por lo que hubo de diseñarse una sección intermedia con los mismos marcos de apoyo @1.5m y una corona de bulones de fricción mecánica tipo swellex de 6 m de longitud entre cada dos marcos.

Fig 2.- Sección funcional del túnel

El proyecto del túnel se ha realizado siguiendo las normas más exigentes a nivel internacional para el proyecto de obras subterráneas de carreteras (Eurocódigos) y las características principales se resumen a continuación.

Portales Los portales del túnel se excavaron con taludes 0.25H/1V en las partes inferiores donde predominan los basaltos y la brecha muy compacta, y 2H/3V en las partes superiores. Para garantizar la estabilidad durante la obra y la fase de servicio se aplicó un sostenimiento a los taludes a base de concreto lanzado de 10 cm de espesor provisto de malla electrosoldada y sustentado con anclajes pasivos ø1 1/2''. Estas anclas son de diversa longitud utilizándose anclas de 11 m (3.00x2.00) en las partes superiores, anclas de 8 m (3.00x3.50) en la brecha volcánica y anclas de 4 m (3.00x3.50) en los basaltos. EL sostenimiento se completa con una red de drenaje de drenes ø 3''de L=12 m en marco 6.0x6.0 y microdrenes ø 3/4'' (L=25 m @ 2.50x2.50) que resultan imprescindibles para eliminar cualquier presión que pudiera causar la caida del concreto.

Fig 3.- Aspecto general del portal Perote

Impermeabilización Aunque la aparición de agua durante la obra se detectó en zonas puntuales el proyecto prevé como medida de seguridad la disposición de un sistema de impermeabilización compuesto por un fieltro geotextil no tejido de polipropileno de 400 g/m2 pegado al sostenimiento y conectado a un colector inferior de tubería dren de PVC ø110 mm, y una lámina de PVC de 1.5 mm de espesor a lo largo de todo el túnel. Este sistema debe ser capaz de recoger el agua proveniente del macizo y conducirla hacia los colectores inferiores evitando que llegue hasta el revestimiento.

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Colaboración Especial

proyectado en concreto f'ck=350 kg/cm2 y con un espesor de 30 cm.

Instalaciones

Fig 4.- Vista general de la lámina de impermeabilización

Revestimiento y Piso

Desde el punto de vista de las instalaciones el túnel se clasifica como un túnel interurbano corto de tráfico medio, por lo que no se precisan instalaciones especiales de ventilación o contraincendios. En consecuencia las instalaciones se corresponden con el alumbrado del túnel para lo que se ha construido una toma de media tensión y su correspondiente centro de transformación. Como medida de seguridad ante cualquier incidente se ha colocado en el CT un sistema de generador autónomo capaz de soportar la tensión demandada por el alumbrado de forma que ante cualquier caida del suministro el túnel puede seguir operando con normalidad.

El revestimiento tiene como función únicamente proteger el sistema de sostenimiento e impermeabilización de las agresiones externas y dar un aspecto de acabado final al usuario, por lo que carece de funciones estructurales. El revestimiento del túnel Xaltepec se ha proyectado mediante concreto simple de f'ck=250 kg/cm2 con un espesor mínimo de 25 cm. Con el fin de dar una mayor garantía al usuario en caso de incendio se ha provisto al concreto con una dotación de 4 kg/m3 de fibras plásticas de polipropileno que en caso de incendio se funden creando huecos en el concreto que permiten la expansión del mismo y evitan el estallamiento. La colocación del concreto se ha realizado mediante una cimbra móvil sobre railes construida “in situ” con estructura metálica y operación mecánica. Fig 6.- Aspecto final del túnel revestido

Fig 5.- Colocación de la cimbra del revestimiento

Por el contrario la losa tiene la doble función estructural de servir de apoyo a la capa de rodamiento (en este caso un pavimento rígido de concreto) y de cerrar la sección por la parte inferior arriostrando el pie de los marcos y absorviendo las tensiones horizontales. La solera del túnel se ha

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El proyecto túnel sumergido bajo el río Coatzacoalcos Está siendo ejecutado en la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz, ubicada en la desembocadura del propio río Coatzacoalcos con el Golfo de México. En esta región del Sur de Veracruz se localizan las Instalaciones de la industria petroquímica de Pemex más grande de América Latina. En la actualidad se utilizan dos medios para cruzar de la ciudad de Coatzacoalcos a la zona industrial. A través de panga para llegar a la congregación de Allende. Por el puente Coatzacoalcos construido en 1958. Con la construcción del túnel sumergido en el Río Coatzacoalcos se unirá la zona urbana de Coatzacoalcos con la congregación de Allende del mismo municipio, y es una alternativa urbana al actual cruce carretero que permitirá optimizar el servicio en materia de vialidades y transporte que fortalecerá y consolidará el desarrollo regional del sur de Veracruz pues traerá los siguientes beneficios. Reducir los tiempos de traslado de la zona urbana a los centros de trabajo ubicados en los complejos petroquímicos Morelos, Pajaritos y La Cangrejera. Eliminar los congestionamientos actuales en el Puente Coatzacoalcos. Reducir la contaminación ambiental.

Especificaciones:

Longitud tramo sumergido: 805.00 metros.

Longitud acceso Coatzacoalcos: 480.00 metros.

Longitud acceso Allende: 243.00 metros.

Longitud total: 1,528.00 metros.

Tipo de infraestructura: Túnel sumergido de concreto presforzado Ancho de calzada: 4 carriles de 3.75 metros de circulación, dos en cada sentido separados por un túnel de servicios. Pavimento final: capa de concreto asfáltico sobre piso de concreto tanto en el propio túnel sumergido como en las vialidades de acceso. Grupo Básico Mexicano ha sido desde el inicio de esta importante obra en el 2004, la Gerencia de Proyecto para la Construcción del Túnel Sumergido bajo el Río Coatzacoalcos, encargada de coordinar y supervisar el correcto desarrollo del propio proyecto durante su etapa de construcción hasta la puesta en marcha. Adicionalmente, Grupo Básico Mexicano tiene a su cargo los servicios de Gerencia de Proyecto cubriendo las áreas de: •

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Colaboración Especial

ASPECTOS GEOTÉCNICOS A CONSIDERAR EN EL HINCADO DE TUBERÍA PREFABRICADA DE CONCRETO REFORZADO DE 1.83 m DE DIÁMETRO INTERNO MEDIANTE EL MÉTODO DE MICROTUNELEO EN SUELOS BLANDOS Omar Nieto Mora Carlos A. Ramírez de Arellano de La Peña Mario E. Amaya Navarrete ICA Ingeniería El presente trabajo expone los aspectos geotécnicos que se tomaron en cuenta para la determinación de las acciones actuantes sobre un tubo de concreto que cruzará por debajo del Gran Canal, mediante el método de microtuneleo e hincado con la ayuda de una estación principal con un sistema de empuje colocada en una lumbrera de lanzado y

recibida en una lumbrera de salida. Actualmente, dicho proyecto se encuentra en su fase de construcción (muro Milán de las lumbreras) y corresponde a las obras de Captaciones II del Túnel Emisor Oriente (TEO) en su Tramo 1, entre las

Lumbreras L-0 y la L-4.

Introducción El Túnel Emisor Oriente (TEO) tendrá 62 km de longitud en su totalidad, formando parte del sistema de drenaje profundo de la Ciudad de México junto con el Túnel Emisor Central. Para su construcción y operación contará con 24 lumbreras de profundidad variable entre los 32 y 149 m. Para minimizar la conducción de aguas pluviales y residuales a través del Gran Canal, es necesario construir 15 captaciones de los colectores ubicados en el municipio de Ecatepec en el Estado de México y la delegación Gustavo A. Madero en el Distrito Federal, que actualmente descargan en

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el citado Gran Canal. Dentro de esas 15 captaciones se ubica el sistema comprendido entre las lumbreras “Maravillas” (lumbrera de lanzado) y “Ejido Central” (lumbrera de recepción) localizado aproximadamente en el cadenamiento 2+000, la cual se muestra esquemáticamente en la Figura 1.

Figura 1. Elementos que conforman el sistema de Captaciones Maravillas-Ejido Central.

Este sistema de captación estará conformado por una lumbrera, tubo de concreto hincado, conexión al TEO y que incluye cajas de conexión superficiales. Para el caso del tubo de concreto hincado de 1.83 m de diámetro interno, pasará por debajo del Gran Canal, y se colocará mediante una excavación ejecutada con un microescudo y el frente del tren de tubos será empujado desde una lumbrera con un sistema de empuje con capacidad de 1,220 t. Se presenta en este documento, el modelo geotécnico utilizado, así como la piezometría actual, medida en campo para el TEO.

Colaboración Especial

Posteriormente, se muestran las revisiones de los esfuerzos generados en el tubo hincado, tanto axiales como normales. Se obtuvo teóricamente la fuerza de fricción generada en el área exterior del tubo, que deberá ser superada por la de hincado generada por la estación principal de empuje.

ción obtenida de los sondeos denominados SM-18 y SM-19 realizados por COMISSA en la lumbrera L-1A (REF.02), el SM-25 realizado en las cercanías de las lumbreras Maravillas y Ejido Central de IUYET (REF.03) y el SM-52 y SM-53 realizados por COMISSA en el intertramo de la L-00 a la L-1A (REF.04).

Se analizaron tres condiciones durante la operación del tubo (las tres, a corto y largo plazo), y se determinó con base en los resultados cuál de ellas era la más crítica para su análisis estructural.

En la Figura 2 se presenta a manera de resumen, la estratigrafía presente en la zona, la cual consta de una capa de relleno superficial heterogéneo desde la superficie hasta los 2.0 m de profundidad. Después, le subyace uno de arcilla de consistencia blanda a media, intercalada por lentes de ceniza volcánica y lentes de arena fina, tiene un espesor que alcanza los 24.0 m y presenta alta plasticidad. Continúa un espesor de limo arenoso de consistencia dura, que alcanza la profundidad de 32.0 m. Posteriormente se localiza una arcilla de alta plasticidad, con una consistencia media a dura, la cual alcanza los 40.0 m de profundidad. Por último y hasta los 50.0 m, se presenta un limo con arena, que presenta alta plasticidad y una consistencia dura.

Por último, se verificó que de acuerdo al hundimiento regional esperado en la zona (a 50 años), no se presenten deformaciones diferenciales verticales inadmisibles que pusieran en riesgo el funcionamiento, tanto en la longitud total del tren de tubos (162 m) así como el diferencial entre tubo y tubo (con longitud de 2.40 m cada uno).

Estratigrafía de la zona y propiedades geotécnicas e hidráulicas del suelo En la Tabla 1, se presenta el modelo geotécnico utilizado para los análisis, en el cual se consideraron cinco unidades estratigráficas donde se han agrupado las propiedades obtenidas de pruebas de laboratorio a diferentes profundidades.

Figura 2. Estratigrafía de la zona.

La piezometría que se ha considerado válida para los análisis presentados, corresponde a la medida en la Lumbrera L-1A (REF.04), por su relativa cercanía (700 m) y en la cual el nivel freático se encuentra a la profundidad de 4.0 m; se muestra una gráfica en la Figura 3.

Tabla 1. Modelo geotécnico utilizado.

Donde: g= Peso volumétrico, t/m3. c= Cohesión en condiciones no drenadas, t/m2. fu = Ángulo de fricción interna en condiciones no drenadas, °. su = Resistencia al esfuerzo cortante en condiciones no drenadas, t/m2. K0 = Coeficiente de empuje en reposo, adimensional. n= Relación de Poisson, adimensional.

Figura 3. Presión hidrostática y piezometría medida en la lumbrera L1-A del TEO (COMISSA, 2010).

El modelo geotécnico conformado tiene como base la informa-

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En dicha figura se observa que existe un abatimiento actual en las presiones hidrostáticas, que comienza aproximadamente a los 15.0 m de profundidad, y se incrementa hasta alcanzar 22.0 t/m2 de pérdida de presión a los 50.0 m.

Condiciones geométricas de los elementos La lumbrera “Maravillas” (de lanzado) tendrá una profundidad de 20.0 m bajo la losa de fondo y en la cual se colocará la estación principal de empuje, con gatos que en su totalidad alcanzarán las 1220 t de fuerza para lograr empujar el tren de tubos con una longitud de 162.0 m y pendiente de 0.2%. En la Figura 4 esquemáticamente el sistema de empuje que se colocará en la lumbrera de lanzado. En esta misma lumbrera, se introducirá el microescudo de frente presurizado y que será capaz de excavar el suelo al frente de los tubos.

El tubo prefabricado a hincar será de concreto reforzado con una resistencia a la compresión simple de 350 kg/cm2, con un diámetro interno de 1.83 m y 2.19 m de diámetro externo. La longitud de cada tubo es de 2.40 m y según la norma mexicana NMX-C-402-ONNCCE-2011 pertenece a un tubo de hinca denominado grado 3 a todo espesor. En la Figura 6 se presenta una sección transversal con la geometría del tubo.

Figura 6. Sección transversal de tubería prefabricada de concreto para hinca a todo espesor, grado 3. (ICA Ingeniería 2012)

Figura 4. Sistema principal de empuje. (Herrenknecht AG, 2012).

La lumbrera “Ejido Central” servirá para recibir el tren de tubos y por la cual se extraerá el microescudo, dicha lumbrera presenta una profundidad de 29.0 m al nivel inferior de su losa de fondo, sin embargo el tren de tubos llegará a 18.0 m de profundidad. En la Figura 5 se muestra un esquema del equipo que será utilizado en la excavación del suelo a lo largo del tramo del hincado de los tubos.

Figura 5. Esquema del microescudo que se utilizará en la excavación (Herrenknecht AG, 2012).

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Dicho tubo será el revestimiento estructural único y por lo cual deberá realizar la función de transportar el agua residual y pluvial de una lumbrera a otra, por lo que las juntas entre tubo y tubo deberán ser estancas. Debido a lo mencionado en el párrafo anterior, tendrá una junta especial que permitirá la “impermeabilidad” entre tubos, de la cual se presenta un detalle esquemático en la Figura 7. La norma mexicana anteriormente mencionada, dice que cada tubo debe permitir un giro máximo de 1° de inclinación, es decir, aproximadamente 4.0 cm entre ellos.

Figura 7. Detalle esquemático de la junta impermeable en la conexión entre tubos de concreto.

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Condiciones de análisis consideradas Para la revisión del tubo hincado, se estima que se presentarán dos condiciones de análisis, a saber: • Esfuerzos alrededor del tubo, generados por el suelo y la presión del agua circundante a él. • Fuerza de fricción a lo largo de la trayectoria del tubo, generada entre toda el área externa del mismo y el suelo en contacto. Así entonces, la revisión estructural del tubo se hará tanto para solicitaciones axiales dadas por la fuerza de empuje de los gatos como también las solicitaciones a flexocompresión dadas por los esfuerzos normales a la sección.

asimétricamente, el tubo se encuentra antes de pasar o después de haber pasado la plantilla, como se muestra en las Figuras 8, 9 y 10. El trazo del tren de tubos pasará de manera esviajada por debajo del Gran Canal en una longitud aproximada de 80.0 m. Eso quiere decir que, la Condición A se presentará aproximadamente en la mitad de la longitud de hincado mientras que la otra mitad se repartirá entre las Condiciones B y C, por debajo del Gran Canal.

Dichas condiciones se presentan en los puntos siguientes. Esfuerzos alrededor del tubo La obtención de las acciones generadas por el suelo alrededor del tubo, se realizó con el método numérico de elementos finitos, con la ayuda de la herramienta PLAXIS 2D V2011.01. Con dicho software se consideró un modelo de deformación plana y en el cual se pueden considerar más variables en el análisis: la heterogeneidad del suelo, la distribución de la presión del agua, las condiciones a corto y largo plazo, etc. Para simular el comportamiento del suelo, se utilizó el modelo constitutivo de Mohr-Coulomb mientras que para el tubo de concreto se modeló un elemento elástico lineal con propiedades de placa: rigidez flexural y rigidez axial, dadas ambas por las características geométricas del elemento por unidad de longitud así como las características de resistencia del concreto. Debido a que el tubo será el único revestimiento, se simula una sobrecarga, excavación con microescudo, colocación de tubo de concreto y condición a largo plazo. Se consideró una condición de hincado a corto plazo y una condición a largo plazo con la piezometría abatida, contemplada como un 50% de la piezometría actual. Así entonces, las condiciones revisadas son consideradas a una profundidad de 18.0 m a eje de tubo. El tren de tubos llega a media altura a la Lumbrera Ejido Central proveniente de la Lumbrera Maravillas. Sin embargo, en su trayecto pasa por debajo del Gran Canal a una distancia de 8.0 m entre el arrastre del mismo y la clave del tubo, situación que también será analizada adicionando un par de condiciones: cuando se presenta el tubo justo por debajo de la plantilla del Canal y, cuando

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Figura 8. Condición de análisis A. Localización del tubo bajo la cobertura total de 18.0 m.

La Condición C rige respecto a la Condición A por su condición de asimetría de esfuerzos normales al tubo, es decir, transversalmente en un lado del tubo se tiene la cobertura completa (18.0 m) y en el otro, se tiene una cobertura considerablemente menor (8.0 m) por la geometría del Canal, constituyendo una ‘descarga’ desde sus condiciones iniciales.

Colaboración Especial

nar el grado que será el definitivo a usar para este intertramo de hincado.

Figura 9. Condición de análisis B. Localización simétrica del tubo bajo 8.0 m del Gran Canal.

Figura 10. Condición de análisis C. Localización asimétrica del tubo bajo el Gran Canal.

En la Figura 11, se presentan de manera gráfica los resultados de la condición más desfavorable que se utilizó para realizar el análisis estructural (Condición C). En esta figura se presentan los esfuerzos obtenidos en los análisis en condición de corto plazo. En la Figura 12, se muestran gráficamente los resultados obtenidos con PLAXIS 2012, de los esfuerzos alrededor del tubo en su condición más desfavorable (Condición C) a largo plazo. Es decir, cuando la piezometría se abate al 50% y se genera un incremento de esfuerzos asimétrico en el tubo, y los esfuerzos cortantes crecen en un 35% aproximadamente. Con los esfuerzos mostrados en las Figuras 11 y 12, se revisó y definió estructuralmente el tubo que se utilizaría en este proyecto.

Figura 11. Diagramas de los esfuerzos alrededor del tubo. Condición C, análisis de esfuerzos a corto plazo.

El cálculo de los esfuerzos normales obedece a la revisión estructural del tubo a flexocompresión para determi-

Figura 12. Diagramas de los esfuerzos alrededor del tubo. Condición C, análisis de esfuerzos a largo plazo.

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Colaboración Especial

Fuerzas de fricción a lo largo del tubo La fuerza de hincado transferida por los gatos hidráulicos necesaria para hacer avanzar el tren de tubos de concreto reforzado debe ser mayor que la fuerza de fricción entre el perímetro externo de la tubería hincada y el subsuelo vecino. De acuerdo con la Referencia 5, dicha fuerza puede ser evaluada mediante el concepto del factor a propuesto por Tomlinson considerando que la revisión se hará en suelos arcillosos blandos, cruzando algunos lentes inherentes de naturaleza granular. ƒs =a * c + q * ko * tan (d) En donde: ƒs = Fuerza de fricción que se opone al

movimiento, t/m2 a = Coeficiente de fricción concreto-arcilla, 0.40 c = Cohesión promedio de los estratos atravesados, 4 t/m2 q = Esfuerzo vertical efectivo, 10.27 t/m2 ko = Coeficiente de empuje de suelo en reposo, 0.80 d = Ángulo de fricción interna del suelo, 5°

Para la anterior expresión se tomarán en cuenta las siguientes propiedades para el cálculo de la fuerza de fricción: Profundidad promedio desde NTN a eje de tubo hincado, 18.14 m Peso volumétrico promedio de NTN hasta eje de tubo hincado, 1.24 t/m3 Profundidad del NAF, 4.0 m Diámetro exterior del tubo, 2.19 m Longitud de hincado, 162.0 m Con los datos anteriores y con las propiedades del suelo descritas, es posible obtener la fuerza de fricción aplicando la expresión de Tomlinson: fs=2.32 t/m2

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Multiplicando por el área exterior del tramo hincado, se obtiene la fuerza de empuje teórica: FEteórica=2,585.81 t Considerando un factor de carga accidental FC=1.1: FEfactorizada=2,844.39 t De acuerdo a mediciones disponibles en la Referencia 5, es posible reducir la fuerza de hincado real mediante el uso de un lubricante (bentonita inyectada mediante graseras instaladas en algunos tubos determinados o bien, algún polímero) y dicha fuerza se reduce hasta 20-33% de la teórica factorizada calculada.

Deformaciones verticales durante la vida útil del tubo de concreto. Largo plazo Al comparar el perfil piezométrico actual (Figura 3) y el espesor total de arcilla compresible (Tabla 1), se observa que los asentamientos a largo plazo se producirán al comprimir los espesores de arcilla ubicados entre los 4.0 y los 26.0 m y de los 32.0 hasta los 35.0 m de profundidad, cuando se extraiga por bombeo el agua del subsuelo, provocándose una consolidación regional. Dichos estratos potencialmente compresibles son las unidades B y D.

Conservadoramente, reduciendo la fuerza teórica hasta un 33% de la calculada se tiene: FEreducida=938.65 t La estación de gateo principal al interior de la Lumbrera Maravillas será capaz de desarrollar una fuerza de gateo mediante 4 gatos de 305 t cada uno, así la fuerza total es de 1,220 t. Fgateo=1,220 t Dado que la fuerza de gateo de la estación principal es mayor que la fuerza de empuje requerida reducida, se considera que no habrá requerimientos adicionales de fuerza de empuje y que con la estación principal bastará. Sin embargo, en aras de la seguridad, será recomendable la colocación de al menos una estación de gateo intermedia (904 t) que, aunque no se use, esté presente, máxime cuando el costo de un rescate del microescudo como el que se usará no se compara contra el costo de instalación de una estación intermedia.

Figura 13. Piezometría actual y la considerada a 50 años de abatimiento. Se observa el valor del hundimiento regional en cada unidad estratigráfica.

La unidad A no se comprimirá por efecto del bombeo profundo debido a que la presión piezométrica está actualmente abatida en esta unidad. De manera simplificada, en la Figura 13, se muestra el perfil piezométrico y la curva de hundimiento regional determinado para 50 años de abatimiento. La diferencia de presión piezométrica (actual y calculada a 50 años), que es igual al aumento de esfuerzos verticales efectivos, generará el asentamiento regional para el mismo periodo de abatimiento.

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ICA INGENIERÍA es un unidad especializada de la empresa ICA donde se emplea tecnología de punta para desarrollar proyectos integrales de ingeniería. Su objetivo es ofrecer soluciones a la vez eficientes y sustentables que permitan optimizar costos, potenciar beneficios y reducir tiempos en la realización de obras. ICA Ingeniería está integrada por profesionales con gran experiencia en túneles, en suelos blandos, taludes, puentes, pavimentos y vialidades, manejo del agua, prefabricados y diseño 3D. Su misión es generar ingeniería de valor agregado, conformar un equipo de trabajo con especialistas calificados y participar activamente en los proyectos desde la etapa de promoción y licitación hasta la ingeniería de campo y los planos As-built para colocarse como la empresa mexicana de ingeniería líder en diseño y construcción con una propuesta de valor sustentada en la innovación, el conocimiento del mercado, la experiencia en diversos tipos de infraestructura, la investigación y el desarrollo tecnológico, la versatilidad y la entrega oportuna.

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Concluciones Para el cálculo del asentamiento regional, se consideraron los resultados de las pruebas de consolidación unidimensional realizadas en las muestras inalteradas obtenidas de los sondeos exploratorios realizados para la Lumbrera 1A del TEO; por ser la lumbrera más cercana al sitio. El asentamiento (d) se calculó con la siguiente expresión: Donde:

d = Ds’v mv H

Ds´v = Incremento del esfuerzo vertical efectivo en el espesor de suelo compresible. mv = Módulo de compresibilidad volumétrica correspondiente con los esfuerzos inicial y final que genera el asentamiento (valor promedio de los resultados obtenidos para cada una de las muestras y el incremento de esfuerzos correspondiente). H=

Espesor de suelo compresible.

Los resultados del cálculo del hundimiento regional se presentan en la Tabla 2, siendo el asentamiento regional del orden de los 134 cm, con una velocidad de 2.4 cm/año.

Este conjunto de análisis, nos han llevado a las siguientes conclusiones para la simulación de un tren de tubos en profundidades significativas en suelos: a. Los valores teóricos mostrados, se deberán corroborar durante la construcción del tubo hincado y durante el periodo de su vida útil. b. El método constructivo del microtuneleo permite la construcción y colocación de infraestructura subterránea sin alteración alguna del entorno que se localiza en superficie o incluso en servicios públicos existentes. c. El uso de herramientas que utilizan el método del elemento finito, permiten corroborar los resultados obtenidos con el uso de los métodos analíticos convencionales. d. La determinación de las fuerzas aplicadas al tubo generadas por el suelo vecino, deberán de calcularse realizando las consideraciones que se presenten durante el procedimiento constructivo (fuerza de fricción) y durante su vida útil (condiciones a largo plazo). e. El cruce del tubo de concreto bajo el Gran Canal, presenta condiciones geotécnicas más desfavorables que en la zona donde no cruza el mismo. f. Las deformaciones verticales a largo plazo generadas por el fenómeno del hundimiento regional que se presentarán en el tubo no serán significativas, ya que las juntas serán capaces de absorber la magnitud de las mismas.

Referencias Tabla 2. Obtención del hundimiento regional a largo plazo en las unidades B y D.

Por otro lado, el tubo de concreto se localizará en el estrato B, en una arcilla de alta plasticidad de baja resistencia al corte y alta compresibilidad, la cual se incrementa con la extracción de agua a lo largo del tiempo.

2. Consorcio IUYET (sin fecha). Plano de perfil estratigráfico sondeo mixto SM-25-IUYET. México.

Durante la colocación del tubo, se presentará un alivio de esfuerzos debido a que el peso de suelo extraído será mayor al peso del tubo colocado. Dicho esfuerzo de alivio será igual a 1.50 t/m2.

4. COMISSA (2010). Memoria de cálculo geotécnico Lumbrera L-1A, clave TEO-1-L-1A.CG-CL, México.

Con dicho esfuerzo, la flecha máxima que se presentará será de 60 cm a la profundidad de 18.0 m y al centro del trayecto del tubo. Cada tramo de tubo permite 1° grado de giro en cada junta, por lo que el límite en cada uno de ellos será de 4.0 cm, al ser 67 juntas en total permite una deformación total de hasta 2.50 m a lo largo de los 162.0 m de longitud.

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1. COMISSA (2009). Plano de modelo geotécnico L-1A, clave TEO-1-L-1A-GT-1/1. México.

3. COMISSA (sin fecha). Túnel Emisor Oriente 4a etapa L0-L1A, sondeos mixtos SM-52 y SM-53. México.

5. García, J. et. al. (2007). Microtuneleo bajo las pistas del AICM, hincando tubos prefabricados de concreto armado, con 1.83 m de diámetro. México. 6. GDF (2004). Reglamento de Construcción del Gobierno del Distrito Federal, Normas Técnicas Complementarias de Concreto. Gaceta Oficial, Ciudad de México, D.F. 7. Herrenknecht AG (2012). Construction site set-up in pipe jacking, version 2.1. Bussiness Unit Tunnelling-After Sales Service. Germany.

Colaboración Especial

Tuneladora

de escudo mixto

para instalación científica

A mediados de 2012, con la entrada de la tuneladora AMELI de Herrenknecht a su último pozo de recepción, se pudo concluir con éxito el avance en un complejo sistema de túneles para la instalación científica europea European XFEL, en la región metropolitana de Hamburgo en el norte de Alemania. Tanto AMELI como su tuneladora gemela TULA, se tuvieron que trasladar varias veces para las once secciones de túnel entre el centro de investigación DESY en el distrito de Bahrenfeld de Hamburgo y Schenefeld en la delegación Pinneberg. La tecnología láser de precisión de la empresa Gesellschaft für Vermessungstechnik (VMT), permitió que ambas tuneladoras no se desviaran de su curso ni un milímetro en un total de 5.78 kilómetros.

racias al sistema de túnel del proyecto de investigación internacional European XFEL (láser de Electrones Libres de Rayos X) a partir de 2015 no circularán ni tráfico ni agua, sino electrones y luces de rayos X. El láser de rayos X European XFEL generará hasta 27,000 destellos de láser ultracortos por segundo en ámbito radioscópico. Con dicho láser será factible entre otros, la exploración de estructuras de biomoléculas o la filmación de reacciones químicas, por lo que surgen posibilidades de investigación completamente novedosas para físicos, biólogos, químicos, médicos y científicos de materiales. “El sistema de túneles es extremadamente sofisticado desde el punto de vista técnico”, informa Steffen Benad, quien dirige la obra en el oeste de Hamburgo para Herrenknecht. “Hay que pensar lo inmenso que son las instalaciones de la obra y lo diminuto que será el rayo de luz al final.” Los dos escudos mixtos con un peso de 500 y 560 toneladas

y diámetros de 6.16 metros y 5.45 metros respectivamente, han sido bautizados con los nombres de TULA (siglas de “túnel para láser”) y de AMELI (siglas de “luz al final”). Las empresas Hochtief AG y Bilfinger Berger AG los utilizaron para el avance de los sistemas de túneles con una compleja interconexión. Para mantenerlos en su curso exacto durante los 3.4 kilómetros de la instalación, Herrenknecht utilizó un sistema de navegación controlado por láser de VMT, filial de Herrenknecht AG con sede en Bruchsal. Ya a finales de julio de 2011, TULA concluyó con éxito su tarea para el túnel principal de más de dos kilómetros de longitud y otras dos secciones de unos 600 metros de longitud respectivamente. Los ingenieros tuvieron que enfrentarse al reto de un complejo sistema ramificado de tuberías en el extremo final del túnel. AMELI tuvo que ser desplazado tres veces por una lumbrera ya finalizada, alzándose y trasladándose cuatro veces por completo de la lumbrera para un total de ocho tramos de túnel.

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Colaboración Especial

“La construcción de túneles es una de las secciones más complicadas en cualquier obra”, comentaba Prof. Dr. Massimo Altarelli, gerente de European XFEL GmbH. “Nos alegra poder constatar que estas tareas se han finalizado ahora según lo previsto.” La utilización de la maquinaria de Herrenknecht para el sistema ramificado de túneles con una longitud de 5.78 kilómetros en total se extendió de julio de 2010 a junio de 2012.

Innovación revolucionaria: el escudo mixto A mediados de los años 80, se desarrolló el escudo mixto para la construcción de túneles en el centro de investigación DESY para el proyecto HERA (Hadron Elektron Ring Anlage) en Hamburgo. Los escudos mixtos con soporte de terreno por lodos son especialistas en geologías complejas, con diversas intercalaciones y particularmente con un elevado contenido de agua. Para estabilizar el frente de excavación, el escudo mixto opera con una suspensión de bentonita que sella el suelo en el frente, y simultáneamente, se utiliza como medio de extracción. Por medio de una burbuja de aire comprimido en la cámara de excavación se genera una sobrepresión para asegurar el frente de excavación que se regula con precisión. Dicha presión impide la incontrolada infiltración del suelo, incluso con presiones hidrostáticas elevadas.

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Desarrollo ulterior: A finales de los años 90 surgió la necesidad de perforar el cuarto tubo del túnel bajo el río Elba en Hamburgo. Para hacerlo, se tuvieron que vencer las dificultades que presentaban la compleja estratificación geológica y presiones hidrostáticas de 5.5 bares. El escudo mixto utilizado, con un diámetro de 14.2 metros, en aquel momento era la tuneladora más grande del mundo. El superlativo: La geología extremadamente compleja existente en el túnel Hallandsås de Suecia planteó nuevos retos a los ingenieros encargados del proyecto. El escudo mixto, transformable en el túnel, se diseñó en versión Slurry-Mode para pasos con elevadas presiones hidrostáticas de hasta 13 bares. No sólo las presiones existentes iban continuamente en aumento; sino también, dos tuneladoras de Herrenknecht utilizadas en 2006 en Shanghái supusieron un nuevo récord mundial con un diámetro de 15.43 metros.

Colaboración Especial

Sistemas de navegación para avance mecanizado de túneles Los sistemas de navegación VMT se desarrollaron para diversos tipos de fresadoras. Se distinguen por una estructura modular del software y un sencillo manejo guiado por menús, junto con las técnicas de medición y telecomunicaciones más modernas. Se basan en una estructura común de sistemas, siendo compatibles entre sí, por lo que pueden adaptarse sencilla- y flexiblemente a los correspondientes requisitos de cada proyecto. Una serie de sistemas complementarios en los ámbitos de información, monitoreo y comunicación completan la oferta. La experiencia acumulada a lo largo de lo años y el constante aumento de las exigencias de los clientes generaron sistemas que han optimizado la construcción de túneles, ofreciendo mayor seguridad y minimizando los periodos de inactividad.

VMT (USA) Technical Measurement Solutions, Inc. 1613 132nd Ave E, Suite 200 Sumner, WA 98390 USA t +1 253 447 2399 info@vmt-us.com

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herrenknecht AG | utIlIty tunnellInG | trAFFIc tunnellInG

Colaboración Especial

Nuevas Aplicaciones La técnica minera de

Herrenknecht

Máquinas perforadoras de pozos (SBM y SBR)

La exploración rápida y eficaz de depósitos de materia prima subterránea en profundidades hasta 2,000 metros juega un papel cada vez más importante a nivel estratégico para las compañías mineras líderes del sector. Los métodos convencionales para desarrollar infraestructuras relacionadas requieren demasiado tiempo. Es por eso que Herrenknecht adapta continuamente su amplio abanico de productos a las necesidades de sus clientes. Para conseguirlo, Herrenknecht hace uso de su dominio de la tecnología de los distintos sectores. Los métodos y tecnologías de construcción de túneles se aplican cada vez más en el nuevo sector comercial de la minería. Herrenknecht ofrece tecnología innovadora para la excavación mecanizada de túneles logrando así la utilización segura y eficaz en minería. A continuación sigue una vista general de las tecnologías y los sistemas más importantes:

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Para pozos verticales con una profundidad de hasta 2,000 m a fin de explotar los depósitos de materia prima. La máquina perforadora de pozos (SBM – Shaft Boring Machine) efectúa una perforación similar a una sierra circular en vertical atravesando la roca dura, lo que permite diámetros de hasta 12 m. Al mismo tiempo, actúa como una rueda de cangilones que transporta los escombros hacia arriba. Las placas del gripper que se apuntalan contra las paredes del pozo utilizando cilindros hidráulicos, proporcionan el anclaje seguro en el pozo. Las herramientas de excavación se pueden cambiar en un área operativa especialmente asegurada, de tal forma que nadie tenga que ejecutar tareas regulares ni de mantenimiento en la galería del pozo. La rozadora de pozos (SBR – Shaft Boring Roadheader) opera de forma similar para rocas semiblandas. Sin embargo, aquí se efectúa la excavación del frente parcial utilizando una cabeza de corte rozadora junto con un innovador sistema neumático de rezaga.

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Máquinas excavadoras de lumbreras verticales (VSM) Tecnología sólida y acreditada para una excavación precisa de todo tipo de lumbreras en suelos estables e inestables. Básicamente, las máquinas VSM (Vertical Shaft Sinking Machine) se componen de una unidad de profundización y una máquina rozadora de lumbreras, pudiéndose emplear también en condiciones sumergidas para la excavación de lumbreras por debajo del nivel freático.

Raise Boring Rig (RBR) Para excavar pozos a 1,000 m de profundidad. Una vez finalizada la pre-perforación desde arriba, se reemplaza la broca por una escariadora para efectuar el proceso ascendente de ampliación. Además de los pozos de extracción, utilizando las máquinas Raise Boring se pueden producir pozos de ventilación, pozos de suministro y pozos de presión para centrales hidroeléctricas. El sólido y acreditado sistema de accionamiento controlado por un convertidor de frecuencia, que también se aplica en otras máquinas de Herrenknecht, permite un control variable de la velocidad y del torque.

Boxhole Boring Machine (BBM) Teniendo en cuenta las operaciones generales de la minería, Herrenknecht ha desarrollado una nueva tecnología en maquinaria, la perforadora vertical Boxhole Boring Machine, para la construcción de pozos verticales en minas partiendo del reconocido método de hincado de tubería empleado en microtuneleo. Los primeros resultados de la BBM muestran que la máquina es capaz de lograr unas tasas de producción muy elevadas y constantes. La BBM ha sido desarrollada para la construcción rápida y segura de pozos verticales e inclinados (± 30° de la vertical) con un diámetro de hasta 1.5 metros y una longitud máxima de 60 metros en formaciones de roca dura. Durante el desarrollo, el diseño se centró principalmente en el aumento de la seguridad, movilidad y autonomía de la máquina. Un rápido emplazamiento del equipo y requisitos mínimos de espacio también fueron criterios claves en el diseño.

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Historia Colaboración de la Ingeniería Especial Civil

Equipos de perforación La perforadora de pozos Jumbo es un producto basado en una larga experiencia en equipamientos de anclaje. Permite elevadas tasas de producción en pozos profundos y de gran diámetro, allá donde no se puedan aplicar otros métodos mecanizados. La perforadora de pozos Jumbo se compone de una estructura principal donde se acoplan los caballetes. Un trípode en el fondo y tres cilindros telescópicos en la superficie proporcionan la estabilización necesaria para ser operada. El diseño modular del aparejo permite el uso de un sistema hidráulico, neumático o potencia eléctrica con cualquier tipo de barrenado para roca.

Resumen Los sistemas mecánicos de excavación reúnen una serie de significativas ventajas en comparación con los métodos tradicionales de perforación y voladura empleados en minería. Los sistemas de excavación mecánica descritos se han diseñado para incrementar el nivel de salud y seguridad laboral, a fin de proporcionar un entorno de trabajo mejor y más moderno, así como para mejorar la producción y tener un impacto positivo en el desarrollo global de la mina, incluyendo un valor actual neto añadido. Herrenknecht AG D-77963 Schwanau Teléfono + 49 7824 302-0 Fax + 49 7824 3403 pr@herrenknecht.com

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Distribución de esfuerzos alrededor de un túnel de sección circular, excavado con TBM, obtenida mediante el método del elemento finito, variando la rigidez de la TBM y el porcentaje de contracción del medio. Stress distribution around a circular tunnel, excavated with a TBM, obtained with the finite element method, by varying the stiffness of the TBM and the contraction percentage of the media Diego Pérez, Juan J. Schmitter, Lizbeth Mendoza, Marcia Oliveira, Omar Nieto, ICA Ingeniería

Introducción Desde tiempo inmemorial el hombre ha utilizado cuevas naturales como abrigo, protección, almacenamiento de bienes, etc. Posteriormente aprendió a realizar excavaciones subterráneas para la búsqueda de metales, o bien para procurar accesos estratégicos de índole militar, para el suministro de agua o para el tránsito discreto de personas. Las experiencias constructivas del tuneleo, se tradujeron en conocimientos empíricos, por el método de “prueba y error”. Con el tiempo y a nivel mundial, se elaboraron diversas metodologías para el análisis y diseño de túneles, por ejemplo la que se conoce como Método Simplificado de Estabilidad de Túneles (Tamez, E., et al 1997), que en México es ampliamente usada por su sencillez y amigable interpretación. Con el avance de la tecnología, los métodos numéricos y los cada vez más robustos sistemas de cómputo, permitieron desarrollar programas de cálculo basados en el elemento finito, con los cuales es posible simular con mayor realismo el medio térreo o pétreo donde se construyen las Obras de Ingeniería, con sus estratigrafía y propiedades geotécnicas, además de incluir la distribución de la presión del agua, etc. En la actualidad, se siguen construyendo grandes túneles en el subsuelo del Valle de México, como el tramo subterráneo de la Línea 12 del Metro y el Túnel Emisor Oriente (TEO). En ambos proyectos se han utilizado escudos EPB,

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de presión balanceada de tierra, de sección circular, cuyo soporte inicial, también llamado revestimiento primario, se forma mediante dovelas prefabricadas de concreto armado, que forman anillos de siete u ocho piezas. Para el análisis y diseño de tal soporte inicial, se utilizan ahora programas de cómputo comercial basados en el elemento finito, por ejemplo, el denominado Plaxis 2D, mediante el cual se simula el proceso constructivo del túnel, incluyendo las etapas de: sobrecarga, excavación mediante escudo EPB, contracción del medio por causa de la excavación y finalmente colocación de los anillos de dovelas del soporte inicial. Debido a que este programa de cómputo no puede simular las conexiones semi-articuladas entre las dovelas que integran los anillos del soporte inicial, el análisis se complementa mediante la aplicación de un programa de cómputo “estructural”, por ejemplo el SAP 2000, que parte de una compatibilidad en las deformaciones calculados por ambos programas, en este caso entre el Plaxis y el SAP 2000. Para lograr tal compatibilidad entre las deformaciones calculadas por ambos programas, es usual reducir el valor del módulo (EI) del anillo de dovelas, para representar las juntas entre éstas, y por ende la distribución de esfuerzos en la interfaz suelo-soporte inicial, que regirá el análisis y diseño, estructurales.

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Comportamiento del sistema suelo-revestimiento Según Tamez, E., et al 1997, “la distribución de presiones naturales en la masa de un suelo antes de excavar el túnel tiene la forma que muestra el diagrama” de la Figura 1. “Si en esta condición inicial de esfuerzos se coloca un revestimiento circular perfectamente flexible, incapaz de soportar un momento flexionante (por ejemplo dovelas articuladas o de concreto lanzado simple), se produce el ovalamiento del anillo, disminuyendo el diámetro vertical y aumentando el horizontal; simultáneamente, estos desplazamientos radiales en el suelo hacen disminuir la presión de contacto svo y aumentar sho”, “Por el contrario, un revestimiento infinitamente rígido mantendría los valores iniciales de svo y sho y tendría que ser capaz de soportar, sin deformarse”, el momento flexionante inducido.

Figura 1. Deformación del soporte inicial flexible de un túnel y redistribución de los esfuerzos iniciales no uniformes, en esfuerzos finales, uniformes (Tamez, E., et al 1997).

En la Figura 2, se presenta la gráfica de la curva característica del medio, también llamada curva de respuesta del suelo o línea de cedencia. Esta gráfica define el comportamiento de la presión de respuesta del suelo (presión de soporte) en función de la deformación en la periferia del túnel, desde la etapa inicial, previa a la excavación, hasta la redistribución total de los esfuerzos por el efecto de la excavación (Tamez, E., et al 1997).

Puede decirse entonces que la ocurrencia de una “contracción” controlada de las deformaciones radiales del túnel, permiten alcanzar una favorable disminución de esfuerzos alrededor del túnel.

Figura 3. Variación de la distribución de esfuerzos en una placa flexible o rígida. Figura 2. Curva característica del medio (Tamez, E., et al 1997).

Por su parte, en los análisis mediante elemento finito, la representación adecuada de la contracción es muy importante, porque esta condición depende el estado de esfuerzos estimado alrededor de las dovelas del soporte inicial (Auvinet, G., 2010). Es decir, para la condición inicial, el esfuerzo vertical es en general mayor que el horizontal, y siguiendo el esquema de la curva característica del medio, hay una reducción en los esfuerzos actuantes alrededor del soporte inicial flexible, en función de la deformación, aunque debe llevarse en mente que por la gran rigidez de la TBM que excava el túnel, previo a la colocación de las dovelas, el valor del esfuerzo vertical es mayor que el horizontal. A manera de corolario puede decirse que: si el revestimiento del túnel es flexible, se generará un favorable incremento de esfuerzos en los hastiales combinado con una reducción, también favorable en la clave y plantilla, mientras que si el revestimiento es rígido, se conservará los mayores valores del esfuerzo en la clave y plantilla, y menores en los hastiales. Figura 3.

En Figura 3, se observa una distribución de esfuerzos inducida por una contracción en una placa flexible, previa a la colocación del soporte inicial, escala esquemática, asimismo una distribución de esfuerzos para una placa rígida. También es importante mencionar que, cuando se excava el túnel con una TBM, se deja un espacio anular (Ramoni, M., 2011), diferencia entre el diámetro del hueco excavado por la máquina y el diámetro exterior del endovelado colocado, que el suelo vecino tiende a cerrar provocando una contracción del medio excavado. Cabe mencionar que los conceptos expuestos anteriormente son fundamentales para la modelación del proceso de análisis y diseño del soporte inicial, mediante el método del elemento finito.

Datos de entrada para el análisis con el elemento finito Preámbulo Algunos túneles se construyen a profundidades cercanas a 100 m, por lo que son sometidos a esfuerzos geoestáticos elevados. Sin embargo, durante su excavación se presenta una cierta

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rias para Diseño de Concreto (GDF, 2004), se ha estimado que el módulo de deformación del concreto para una resistencia f’c de 550 kg/cm2 y con agregados de caliza, será de 30’346,516 kPa. La relación de Poisson del concreto adoptada es 0.18.

Con base en este criterio, en la Figura 4 se presenta la geometría de los análisis, para los túneles cuyos ejes se ubican a 60.0 y 100.0 m de profundidad, con un diámetro exterior de 8.6 m e interior, de 7.6 m, para el soporte inicial, es decir el revestimiento primario tendrá un espesor de 0.4 m. Además, el nivel de aguas freáticas se considera a 40.0 m de profundidad y una distribución hidrostática para la presión del agua. Geometría

(1) (2) (3)

(4)

Dónde: h, d: Espesor del elemento placa, m b: Ancho unitario, 1 m EI: Módulo de rigidez, kN.m2/m EA: Módulo de cortante, kN/m w: Peso equivalente de la dovela, kN/m/m Con el módulo de deformación del concreto y el espesor de la dovela, el EA será de 12’138,606 kN/m, el EI será de 161,849 kN.m2/m, y el peso equivalente del endovelado, por metro, w será de 9.60 kN/m/m. Propiedades geotécnicas

Presión agua

Módulo de deformación del concreto Con base en el Reglamento de Construcción del Gobierno del Distrito Federal, en sus Normas Complementa-

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En la Tabla 1, se presentan las propiedades del suelo, tales como: el peso volumétrico (g), la cohesión (c), el ángulo de fricción (f), el módulo de deformación (Es), la relación de Poisson (ns) y el coeficiente de reposo (ko) con un valor de 0.613. c,kPa

f, °

Es, kPa

ns,-

g,kN/ m3 17.40

795

174,800

0.38

17.40

795

80,000

0.38

Suelo

300,000

0.38

Curvas características del medio A partir de la información de la Tabla 1 y Figura 4, se desarrollan las curvas características del medio, considerándolo homogéneo, para las profundidades al eje del túnel de 60.0 m y 100.0 m, como se muestra en las Figuras 5 y 6 respectivamente. Se utiliza el Método Simplificado de Estabilidad de Túneles (Tamez, E., et al 1997). En la Figura 5, se observa que entre mayor es el módulo de la deformación, menor será el desplazamiento radial, para la misma presión de contacto aplicada. Es decir, para un diseño óptimo, el suelo del medio debe deformarse convenientemente, antes de la colocación de las dovelas. 1200 E=80,000 kPa E=174,800 kPa

1000

E=300,000 kPa

800

600

400

200

Por simplicidad de análisis, se ha adoptado un estrato homogéneo rígido, variando sus módulos de deformación.

Figura 4. Geometría y condiciones de análisis.

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Metodología de análisis mediante el método de elemento finito

Presión de contacto, kPa

Las propiedades de una placa estructural con el programa Plaxis 2D, se definen con las siguientes expresiones:

17.40

Tabla 1. Propiedades asignadas al subsuelo. *Se varían los Es para realizar un análisis de sensibilidad.

Propiedades de las placas estructurales, según el programa Plaxis 2D

Condiciones para el análisis En los métodos de análisis utilizados anteriormente, se ha considerado para las etapas de excavación y contracción, que la máquina tunelera es una “placa equivalente” cuya rigidez es igual al 100% de la rigidez del anillo de dovelas del soporte inicial.

0 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

Figura 5. Curva de respuesta del suelo para un túnel a 60.00 m de profundidad, variando los módulos de deformación del suelo. 1800 E=80,000 kPa E=174,800 kPa

1500

Presión de contacto, kPa

relajación del suelo (contracción), que provoca una reducción en los esfuerzos normales y cortantes. En los análisis por el método del elemento finito y durante las etapas de excavación y contracción, se selecciona una rigidez del escudo, que antecede a la colocación de dovelas; posteriormente, durante la instalación del soporte inicial mediante anillos de dovelas, se simula una disminución del módulo flexural (EI) para representar sus “articulaciones”. La variación de la rigidez en las primeras etapas del análisis, mencionadas, da por resultado una redistribución de los esfuerzos, actuantes sobre el endovelado.

E=300,000 kPa

1200

900

600

300

0 0.00

0.02

0.04

0.06 0.08 0.10 Desplazamiento Radial, m

0.12

0.14

0.16

XII

SIMPOSIO INTERNACIONAL DE ESTRUCTURAS DE ACERO X REUNIÓN DE PROFESORES Y EXPOSICIÓN DE PRODUCTOS Y SERVICIOS AFÍNES

6 AL 9 DE MARZO DE 2013 GUADALAJARA, JALISCO

TE ESPERAMOS, APARTA LA FECHA

EL SIMPOSIO TENDRÁ TEMAS VARIADOS COMO, CONSTRUCCIÓN COMPUESTA, DISEÑO INDUSTRIAL, TÉCNICAS NUEVAS EN LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO, ESTABILIDAD, POR MENCIONAR ALGUNOS TEMAS.

Organiza:

Tel. 5572 2876 y 5572 3196 imcacero@gmail.com monica@imca.com.mx

www.imca.org.mx

Colaboración Especial

Figura 6. Curva de respuesta del suelo para un túnel a 100.00m de profundidad, variando los módulos de deformación.

Método de las Placas La metodología de análisis usual, que se designará como “Método de las Placas”, consiste en simular la máquina tunelera mediante un elemento placa del programa Plaxis 2D, durante las etapas de excavación del túnel y contracción del medio excavado, previamente a la colocación del soporte inicial. Sin embargo, como se mencionó en el inciso 2, hay una condición que, previa a la colocación de las dovelas (etapas de excavación y contracción) se debe conservar: los esfuerzos verticales deben ser mayores que los horizontales. Existen dos formas de observar esta relación con el esfuerzo vertical, es decir, una para los esfuerzos efectivos, y otra para los esfuerzos totales, Figura 7.

34 Vector

1200 E=80,000 kPa Placa 100EI

Lo anterior, se puede expresar con las siguientes ecuaciones matemáticas:

Placa SP GELIDI ko

Presión de contacto, kPa

Figura 7. Relación de esfuerzos verticales y horizontales

1000

GELIDI kt

800

600

400

200

(5)

(6)

0 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

1200 E=174,800 kPa Placa 100EI 1000

Placa SP

ko = Relación de esfuerzos efectivos

Presión de contacto, kPa

GELIDI ko

Donde:

kt = Relación de esfuerzos totales del túnel

GELIDI kt

800

600

400

200

0 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

sv’= Esfuerzo efectivo vertical 1200

sv = Esfuerzo total vertical

E=300,000 kPa Placa 100EI 1000

Placa SP GELIDI ko

sh ’= Esfuerzo efectivo horizontal sh = Esfuerzo total horizontal Las relaciones del ko y kt se caracterizan en lo siguiente: el ko es menor que la unidad y el kt es mayor o igual que el ko, también menor que la unidad. Alternativa considerando el 100 EI del endovelado

En las Figuras 8 y 9 que siguen, se presenta la comparativa entre las

Presión de contacto, kPa

En la Figura 6, las gráficas presentan la misma tendencia que las de la Figura 5, aunque cabe señalar que en la parte final de las curvas de respuesta, se observa un cierto estado de plastificación (curvatura en la gráfica). Además, la presión de contacto en el eje de las ordenadas es mayor porque el eje del túnel está más profundo. La presión de contacto total sobre el endovelado, está compuesta por la presión efectiva (s’) del terreno más la presión de agua (U) de sus intersticios. La presión de agua no se puede disminuir porque el agua es prácticamente incompresible, a menos que el túnel funcione como un dren. Esto sugiere que en la curva de respuesta sólo se puede bajar la presión de contacto hasta alcanzar el valor de la presión hidrostática.

curvas de respuesta del suelo (método analítico) y el método de elemento finito, mediante Plaxis 2D. El túnel a 60.0 m de profundidad se ubica en la Figura 8, y el túnel a 100.0 m de profundidad está en la Figura 9.

GELIDI kt

800

600

400

200

0 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

Figura 8. Comparativa de curvas de respuesta del suelo mediante el método analítico y mediante el elemento finito (Plaxis 2D), variando los módulos de deformación a la profundidad de 60.0 m.

Colaboración Especial

Presión de contacto, kPa

GELIDI ko GELIDI kt

1200

900

600

300

0 0.00

0.02

0.04

0.06 0.08 0.10 Desplazamiento Radial, m

0.12

0.14

0.16

En el Método de las Placas, independientemente de la rigidez del elemento estructural, las curvas características tienen excelente correspondencia entre los métodos analítico y numérico.

1800 E=174,800 kPa Placa 100EI 1500

Placa SP

Presión de contacto, kPa

GELIDI ko GELIDI kt

1200

900

600

300

0 0.00

0.02

0.04

0.06 0.08 0.10 Desplazamiento Radial, m

0.12

0.14

0.16

1800 E=300,000 kPa Placa 100EI 1500

Presión de contacto, kPa

Como se visualizó en la Figura 7, existen dos formas para observar estas relaciones, una mediante esfuerzos efectivos, y otra mediante esfuerzos totales.

Placa SP GELIDI ko GELIDI kt

1200

900

600

300

0 0.00

En las Figuras 8 y 9, se observa que los resultados obtenidos con esta metodología también se adaptan a las curvas de respuesta del suelo para diferentes módulos de deformación y profundidades.

0.02

0.04

0.06 0.08 0.10 Desplazamiento Radial, m

0.12

0.14

0.16

Figura 9. Comparativa de curvas de respuesta del suelo mediante el método analítico y mediante el elemento finito (Plaxis 2D), variando los módulos de deformación a la profundidad de 100.0 m.

Con este criterio, se observa que para la metodología del 100 EI hay una tendencia similar a la de la curva característica del medio obtenida con un método analítico. Para elaborar la curva de respuesta en la etapa de excavación mediante el elemento finito, se procedió a utilizar las diferentes contracciones que inducen el desplazamiento radial y dan por resultado la presión de contacto indicada en el eje de las ordenadas.

En las Figuras 10 a 13, se observan las variaciones del ko y kt en función de la deformación radial. Lo relevante es que para la metodología del 100 EI, el ko tiende a incrementarse posteriormente a la excavación, y conforme se incremente la contracción, seguirá aumentando la relación de esfuerzos efectivos, y lo mismo sucede con la relación de esfuerzos totales, kt. En contraparte, con la metodología de la SP, el ko tiende a incrementarse ligeramente (menor que la unidad) en la excavación, y conforme se incrementa la contracción, seguirá disminuyendo, lo cual también se ve reflejado con la relación de los esfuerzos totales, kt. Por tanto, previamente a la colocación de las dovelas, en la metodología del 100 EI hay una placa flexible y se induce un incremento de esfuerzos en la zona de los hastiales (incre-

2.0 Placa 100EI 80,000kPa

1.8

Placa 100EI 174,800kPa

1.6

Placa 100EI 300,000kPa

1.4

Placa SP 80,000kPa

k o, -

Placa SP

Relación de esfuerzos efectivos

Placa 100EI

Placa SP 174,800kPa

1.2

Placa SP 300,000kPa

1.0

GELIDI ko 80,000kPa

0.8

GELIDI ko 174,800kPa

0.6

GELIDI ko 300,000kPa GELIDI kt 80,000kPa

0.4

GELIDI kt 174,800kPa

0.2

GELIDI kt 300,000kPa

0.0 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

Figura 10. Variación de la relación de esfuerzos efectivos (ko) obtenida mediante el MEF a 60.0 m de profundidad, en función del desplazamiento radial del suelo y del módulo de deformación del mismo. 2.0 Placa 100EI 80,000kPa

1.8

Placa 100EI 174,800kPa

1.6

Placa 100EI 300,000kPa

1.4

Placa SP 80,000kPa

ko, -

E=80,000 kPa 1500

Relación de esfuerzos efectivos

1800

mento del ko) que se intensifica con la contracción, mientras que la metodología de la SP, que es una placa muy rígida, se conserva el principio del ko (esfuerzos verticales mayores que los horizontales).

Placa SP 174,800kPa

1.2

Placa SP 300,000kPa

1.0

GELIDI ko 80,000kPa

0.8

GELIDI ko 174,800kPa

0.6

GELIDI ko 300,000kPa GELIDI kt 80,000kPa

0.4

GELIDI kt 174,800kPa

0.2 0.0 0.00

GELIDI kt 300,000kPa 0.02

0.04

0.06 0.08 0.10 Desplazamiento Radial, m

0.12

0.14

0.16

Figura 11. Variación de la relación de esfuerzos efectivos (ko) obtenida mediante el MEF a 100.0 m de profundidad, en función del desplazamiento radial del suelo y del módulo de deformación del mismo.

1.6 Placa 100EI 80,000kPa Placa 100EI 174,800kPa

1.4

Placa 100EI 300,000kPa

kt, -

En este caso se aplica el mismo método, únicamente se cambian las magnitudes del EA y EI de la placa que simula a la máquina tunelera. En esta metodología se utiliza un elemento más rígido.

Relación de esfuerzos totales

Alternativa de la Súper Placa (SP)

Placa SP 80,000kPa

1.2

Placa SP 174,800kPa Placa SP 300,000kPa

1.0

GELIDI ko 80,000kPa GELIDI ko 174,800kPa

0.8

GELIDI ko 300,000kPa GELIDI kt 80,000kPa

0.6

GELIDI kt 174,800kPa GELIDI kt 300,000kPa

0.4 0.00

0.02

0.04 0.06 Desplazamiento Radial, m

0.08

0.10

Figura 12. Variación de la relación de esfuerzos totales (kt) obtenida mediante el MEF a 60.0 m de profundidad, en función del desplazamiento radial del suelo y del módulo de deformación del mismo.

Vector 35

Colaboración Especial

finito, Plaxis 2D, se consideran diferentes estados de presión de agua en el interior del túnel.

Las presiones del agua llevarán las siguientes relaciones: (7) Figura 13. Variación de la relación de esfuerzos totales (kt) obtenida mediante el MEF a 100.0 m de profundidad, en función de desplazamiento radial del suelo y del módulo de deformación del mismo.

Método alternativo GELIDI Ante esta situación, se propone un método alternativo (mediante MEF), denominado GELIDI, que simule los aspectos básicos en el comportamiento de la curva característica previamente a la colocación del soporte inicial del túnel, mediante dovelas, donde los esfuerzos verticales sean mayores que los horizontales. Para evitar una distribución de presión atípica por la sensibilidad en los análisis en el uso de placas (flexible o rígida), se propone rellenar el túnel excavado con diferentes presiones, simuladas en Plaxis 2D como presión de agua, bajo dos criterios: el ko constante o el kt constante, previo a la colocación del soporte inicial mediante dovelas. En este caso, las etapas de excavación y contracción, usadas en el Método de Placas, se reducen a una fase. Cabe señalar que, con esta metodología se busca que el suelo se “cierre” en el espacio anular producido por la excavación de la tunelera de forma natural (sin llegar a su estado plástico), previa a la colocación de las dovelas. Por tanto, el parámetro de la contracción dentro del programa geotécnico es eliminado. Metodología del ko Para construir la curva de respuesta del suelo con el método de elemento

36 Vector

(8) (9) Donde: UP_clave: es la presión de agua máxima en la clave UP_hastial: es la presión de agua máxima en el hastial UP_cubeta: es la presión de agua máxima en la cubeta Uclave: es la presión del agua medida en la clave Uhastial: es la presión del agua medida en el hastial Ucubeta: es la presión del agua medida en la cubeta

Ds, s'curva: es la variación media del esfuerzo efectivo entre la clave y la cubeta en condiciones iniciales, y es la presión que corresponde a la curva característica. Metodología del kt Para construir esta curva de respuesta del suelo, se define la presión de contacto que se requiere conforme a la ecuación 10. La distribución de las presiones de agua en el interior del túnel, son iguales a las ecuaciones 7, 8 y 9.

(10) En la Figura 14, se presenta un esquema de las presiones de agua en el túnel excavado, para mantener constante o para controlar las variables ko o kt.

Figura 14. Esquema de las presiones de agua alrededor del túnel.

En las Figuras 8 y 9, también se observa que esta alternativa se adapta a la curva característica de respuesta del suelo entre los métodos analítico y numérico. En las Figuras 10 a la 13, y para el método GELIDI que sigue la metodología del ko constante, previo a la colocación de las dovelas (GELIDI k0 ), se aprecia un incremento gradual del kt, con tendencia a redistribuir el esfuerzo total, magnitud de uno, sin importar la profundidad y módulo de deformación. Para la metodología del kt constante previo a la colocación de las dovelas (GELIDI kt), existe un decremento gradual del ko, con tendencia a cero, esto sugiere que se acerca a la zona donde solo hay presencia de agua. Es decir, el esfuerzo efectivo se disipa para dejar exclusivamente la presión del agua, la cual es prácticamente incompresible. Quizás, la incertidumbre del método GELIDI puede ser, si el ko o el kt permanecen constantes durante la disminución de la presión de contacto, previo a la colocación de las dovelas. No obstante, teóricamente el ko y el kt no pueden ser mayores a la unidad, previamente a la colocación del revestimiento primario, sugiriendo que la metodología 100 EI no representa el comportamiento real del suelo. Un túnel tiende a la falla, cuando el esfuerzo vertical se ha incrementado significativamente, o bien cuando el esfuerzo horizontal decrece también significativamente. Esto sugiere que en la metodología del kt, a medida que el suelo se deforma se acerca a la

Colaboración Especial

zona de plastificación, y se da un incremento en el esfuerzo vertical, lo que se refleja en un decremento del ko. En esta metodología, el ko tiene la misma tendencia. Resultados de plaxis 2d Independientemente de la profundidad y de la variación del módulo de deformación del suelo, las distribuciones de la presión de contacto alrededor del túnel previo a la colocación de las dovelas, presentan una misma tendencia para cada metodología. A continuación, se presentan los resultados en Plaxis 2D para el túnel a las profundidades de 60.0 y 100.0 m, con un módulo de deformación de 174,800 kPa.

La comparativa entre un método analítico y un numérico se realiza en las mismas condiciones por lo que se esperan resultados e interpretaciones similares. La deformación radial deberá ser al interior. Para obtener una presión de contacto cero con el MEF, se drena el túnel de la excavación y se deja sin soporte, Figura 17. En esta Figura, la deformación radial máxima es 0.037 m a la profundidad de 60.0 m (Figura 18), además no hay presencia de plastificación del suelo (Figura 17). A la profundidad de 100.0 m, la deformación radial máxima es 0.073 m (Figura 18), y se observa la plastificación del suelo alrededor de la excavación (Figura 17). Todo lo anterior es congruente con los métodos analíticos.

En las Figuras 15 y 16, se muestran las condiciones iniciales alrededor de la geometría del túnel. Los esfuerzos verticales efectivos y totales son mayores que los horizontales.

Figura 15. Condición inicial, profundidad de 60.0 m. Figura 17. Deformación total y plastificación sin soporte.

Figura 18. Desplazamiento radial sin soporte

Figura 16. Condición inicial, profundidad de 100.0 m.

En las curvas características del medio (Figuras 5 y 6), para un módulo de deformación de 174,800 kPa, cuando la presión de contacto tiende a cero, la deformación radial máxima es 0.035 m, para un túnel a 60.0 m de profundidad. Cuando la presión de contacto tiende a cero, la deformación radial máxima es 0.063 m, para un túnel a 100.0 m de profundidad. A mayor profundidad, existe una zona de plastificación del suelo.

38 Vector

Numéricamente los resultados entre los métodos analíticos y del elemento finito (Plaxis 2D) son similares. Pero, si existe una presión de agua en el subsuelo, la presión de contacto no puede ser cero, porque el agua es prácticamente incompresible. En las Figuras 19 y 20, se presenta visualmente la relación del ko, que ilustra la interpretación que se hizo de las gráficas de las Figuras 10 a 13.

Colaboración Especial

a) Metodología del 100 EI, previo colocación de dovelas

b) Metodología de la SP, previo colocación de dovelas

c) Metodología GELIDI ko, previo colocación de dovelas

d) Metodología GELIDI kt, previo colocación de dovelas

Figura 19. Variación de la distribución de presiones previo a la colocación del revestimiento primario, módulo de deformación de 174,800 kPa a 60.0 m de profundidad.

Figura 20. Variación de la distribución de presiones previo a la colocación del revestimiento primario, módulo de deformación de 174,800 kPa a 100.0 m de profundidad.

Vector 39

Colaboración Especial

Conclusiones Este conjunto de análisis, nos han llevado a las siguientes conclusiones para la simulación del soporte inicial de un túnel, mediante dovelas, en suelos duros y a profundidades significativas, con presión de agua hidrostática. Todos los métodos basados en el elemento finito, llevan el mismo comportamiento de la curva característica del medio. Cada método induce una distribución de la presión de contacto diferente alrededor del túnel, previo a la colocación de las dovelas. El método de placas con la metodología del 100 EI, considera que la placa es flexible y genera un incremento de esfuerzos en los hastiales; el ko y kt son mayores que la unidad cuando se aumenta la contracción, previamente a la simulación del revestimiento primario. El método de placas con la metodología SP, da resultados más satisfactorios que el 100 EI. El ko y kt disminuyen drásticamente con la contracción, sin haber disminuido el esfuerzo vertical por completo, lo cual puede resultar conservador. Además, la contracción tendrá un porcentaje máximo. El método GELIDI ofrece mejores resultados, porque se controla la relación de esfuerzos ko y kt, previa a la colocación de las dovelas, sin la influencia de una placa flexible o rígida. La metodología del ko, induce una redistribución de esfuerzos totales, el kt tiende a la unidad, condición que ayuda al túnel, previa a la colocación del revestimiento primario. La metodología del kt, induce un decremento gradual del ko, hasta disipar todo el esfuerzo efectivo que le pertenece a la presión de contacto, situación que no permite la SP. Esta metodología parece la más adecuada para simular la excavación y contracción del suelo, previa a la colocación de las dovelas. Para suelos menos rígidos, parece que el criterio del 100 EI tiene un mejor comportamiento, el ko y kt no incrementa significativamente, tal vez, porque la rigidez del anillo ahora representa una placa rígida comparada con el suelo circundante menos competente. Estas metodologías dejan abierto el camino de la investigación, para evaluar la correspondencia de la disminución del módulo flexural (EI) en la compatibilidad de deformaciones entre los programas SAP 2000 y PLAXIS 2D, para el diseño estructural.

Referencias

Tamez, E., Rangel, J.L. y Holguín, E., (1997). Diseño geotécnico de túneles. México, D.F., Editorial TGC Geotecnia. GDF (2004). Reglamento de Construcción del Gobierno del Distrito Federal, Normas Técnicas Complementarias de Concreto. Gaceta Oficial, Ciudad de México, D.F. Auvinet, G. y Rodríguez, J, (2010). “Análisis, diseño, construcción y comportamiento de obras subterráneas en suelos”, Memorias XXV Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Publicación SMIG, Acapulco, GRO, Vol. 1: 33-42 Ramoni, M., Lavdas, N., Anagnostou, G., (2011). “Squeezing loading of segmental linings and the effect of backfilling”, Tunnelling and Underground Space Technology.

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Colaboración Especial

ASPECTOS DE SEGURIDAD

TÚNELES CARRETEROS M E X I C A N O S EN LOS

M. En I. Willington Araújo Quimbaya ICA INGENIERÍA Debido al auge en la construcción de túneles carreteros que se ha venido presentando en nuestro país se hace necesario establecer dentro de éstos algunos requerimientos mínimos de seguridad; más aún cuando no contamos actualmente con alguna normativa nacional que se refiera a este tema. Así mismo debido a las experiencias catastróficas sucedidas en los túneles carreteros en el mundo, se han delimitado algunas normativas internacionales, las cuales se han tomado como referencia para regular algunos requerimientos mínimos en el aspectos de dispositivos de seguridad para túneles carreteros de gran longitud.

Introducción En nuestro país se han construido obras subterráneas desde épocas prehispánicas, tal es el caso de un túnel (longitud aproximada de 100 m) encontrado en la zona arqueológica de Teotihuacán; posteriormente en el virreinato este tipo de obras se emplearon principalmente en la minería y como desagüe en la Ciudad de México; sólo hasta 1950 se empleó el primer túnel con fines carreteros de aproximadamente 2,260 m conocido como “Ogarrio” (en el actual estado de San Luis Potosí), posteriormente en la década de los 80 se dotó de iluminación y pavimento semirrígido. (Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas, AC, 2012). Debido a los avances tecnológicos mundiales cada vez más se construyen en nuestro país túneles de mayor longitud, especialmente para el caso de túneles carreteros el aspecto de seguridad cobra mayor relevancia durante su construcción y operación; además se debe considerar que

en este tipo de túneles se pueden presentar incendios que generaran consecuencias catastróficas. Durante los incendios en el interior de los túneles se registran temperaturas superiores a los 1,000 °C y se genera un fenómeno denominado efecto horno, debido a la concentración de calor, humo y desorientación de los usuarios generalmente se presentan un gran número de personas muertas y heridas, adicionalmente se generan cierres importantes durante días o meses que afectan la vialidad y economía de una región. A partir de la década de los años noventa y considerando algunas experiencias catastróficas ocurridas en algunos túneles carreteros en funcionamiento (ver tabla 1), Organismos internacionales como la Asociación Mundial de Carreteras (AIPCR/PIARC) se empezaron a preocupar por los aspectos de seguridad en los túneles y realizaron valiosas aportaciones sobre el tema.

Vector 41

Colaboración Especial

Tabla 1. Algunos Accidentes trágicos en túneles carreteros Año 1978

País Países Bajos

Túnel Velsen

1979

Japón

Nihonzaka

1980

Japón

Kajiwara

1980

Japón

Sakai

1982

EE. UU.

Caldecott

1983

Italia

Pecorile

1986

Francia

L’Arme

1987

Suiza

Gumefens

Longitud (m) 770

Tubos

Víctimasmortales

2,045

740

459

1,028

662

1,105

343

1993

Italia

Serra Ripoli

442

1994

Sudáfrica

Huguenot

3,914

6,719

148

11,600

1995

Austria

Pfander

1996

Italia

Isola delle Fermine

1999

Francia - Italia Mont Blanc

1999

Austria

Tauren

6,401

2001

Austria

Gleinalm

8,320

2001

Suiza

St. Gotthard

16,918

2005

Francia - Italia Frejus

12,870

2006

Suiza

Viamala

750

2012

Suiza

Sierre

2,400

Los principales estudios adelantados por la AIPCR/PIARC han sido el ensayo Eureka (1991), ensayos Memorial Tunnel (1993), QRAM Transporte de Mercancías Peligrosas (1995), Fire and Smoke Control (WG-6 C5, 1999). Adicionalmente a estos estudios se establecieron otras recomendaciones internacionales propuestas por Francia, Suiza, la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UNECE) y las directivas Europeas. Por otra parte, a continuación se describe en forma resumida los principales factores que intervienen en la seguridad de los túneles , la normativa internacional existente y el equipamiento con que cuentan algunos túneles carreteros en México, específicamente para el caso del Túnel de Acapulco y por último unas breves conclusiones.

Factores que intervienen en la seguridad de los túneles En general un túnel representa un sistema complejo en donde intervienen una gran cantidad de variables que se interrelacionan entre sí. En el caso de la seguridad también participan muchos factores, sin embargo la AIPCR/PIARC ha establecido cuatro grandes grupos, los cuales se pueden observar en la figura 1. (Technical Committee: C4 Road Tunnel Operations, 2011). Figura 1. Factores que influyen en la seguridad de los túneles carreteros

42 Vector

La explotación consiste en el manejo adecuado y buen funcionamiento de todas las instalaciones de un túnel, al igual que el mantenimiento del mismo; en la infraestructura se considera principalmente el equipamiento de todos los sistemas dentro del túnel, para lo cual interviene el tipo de túnel, la sección transversal, el número de tubos, tipo de ventilación, etc.; por ello es uno de los principales parámetros que influye directamente en el costo de la construcción de un túnel. Dentro de los usuarios se incluye el factor humano, en este aspecto es importante que todas las personas que utilizan el túnel conozcan la información necesaria que les permita actuar adecuadamente ante cualquier emergencia. Finalmente en cuanto a los vehículos, se consideran el tipo de transporte y mercancías que circularán por el túnel.

Colaboración Especial

Normativa Internacional La mayoría de los organismos internacionales tienen como punto de partida una clasificación general de los túneles. Por ejemplo la AIPCR/PIARC en 1995 estableció que los principales factores que intervienen en la clasificación son la longitud (L), volumen de los vehículos, sentido del tránsito, número de tubos, tipo (urbano e interurbano) y nivel de servicio (tipo y clase de carretera). La AIPCR/PIARC basado en los reportes anteriormente realizados y en la revisión de algunos túneles en funcionamiento, especialmente europeos, japoneses y estadounidenses, ha dividido el aspecto de seguridad en tres categorías principales: a. Emergencia y evacuación: señales de emergencia en carreteras, luces de evacuación, teléfonos de emergencia, radios de comunicación, altavoces, extintores, hidrantes, regulaciones del tránsito, dispositivos automáticos contra incendios, sistemas para el derrame de sustancias peligrosas, evacuación de los usuarios (salidas de emergencia y bahías de estacionamientos), protección contra el fuego y planta de emergencia. b. Regulación del tránsito: líneas de señalamiento, luces intermitentes de emergencia, señales dinámicas, barreras y control de altura de vehículos. c. Sistemas de operación: centro automatizado de control, circuito cerrado de televisión (CCTV) y plan de contingencia para emergencias. Francia cuenta con algunos túneles carreteros importantes, tal es el caso del Somport (L= 8,608 m) que comunica Francia con España y el Mont Blanc (L= 11,600 m), que une Francia con Italia y recordado porque en 1999 fue protagonista de unas de las mayores tragedias automovilísticas de Europa. Por otra parte se encuentra el Eurotúnel (L = 50,000 m) que comunica a Francia con el Reino Unido cruzando el Canal de la Mancha; si bien este último es un túnel ferroviario, debido a su gran longitud y características es uno de los túneles más importantes en el mundo.

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La Normativa francesa (Circulaire Interministerielle No. 2000-63, 2000) consideran la longitud del túnel (L), el tipo de tránsito y de carretera como parámetros aplicables para túneles nuevos con longitudes mayores a 300 metros. Alemania (BMVB, 1994) considera cuatro rangos de longitud (L < 350 m, de 350 m a 700 m, de 700 m a 1,050 m y L > 1,050 m) para establecer los requerimientos mínimos en cuanto al equipamiento de seguridad. Por su parte en Japón los túneles carreteros (Mashimo, 2002) se dividen en cinco categorías (AA, A, B, C y D) según el volumen del tránsito y la longitud de los mismos. A partir del año 2004 la Unión Europea (UE) (Diario Oficial de la Unión Europea, 2004) fue más estricta en este tema, proponiendo parámetros adicionales para la clasificación de los túneles europeos; en esta categorización se incluyen algunos aspectos geométricos como la sección transversal, alineamiento horizontal y vertical, ancho del carril, dirección del tránsito a través del tubo (unidireccional o bidireccional), riesgo de congestionamiento, acceso para los servicios de emergencia, porcentaje de camiones, transporte de mercancías peligrosas, características de las vías de acceso, velocidad de circulación, medios geográficos y aspectos meteorológicos. La UE integró todos los parámetros indicados anteriormente y estableció una normativa con el objeto de unificar los requerimientos mínimos de seguridad en los túneles que se encuentran en la red carretera transeuropea. En Estados Unidos de América (EE. UU.) los túneles se clasifican en cinco grandes grupos (X, A, B, C y D) para establecer los requerimientos mínimos de seguridad (NFPA, 2008). En la tabla 2 se observa una comparativa de los equipamientos de seguridad obligatorios establecidos en los diferentes países anteriormente indicados.

Colaboración Especial

Tabla 2. Equipamientos de seguridad mínimos obligatorios Equipamiento

Francia

Alemania

Japón

EE. UU.

Centro de control

L > 1,000 m

L > 1,500 m

L > 3,000 m

L > 1,000 m

Salidas de emergencia

L > 300 m

L > 350 m

L > 3,000 m

L > 500 m

L > 240 m

Iluminación básica

Según la PIARC

L > 500 m

Iluminación de emergencia

L > 300 y balizas a 1 m c/ 10 m a los lados de las salidas de emergencia

L > 350 m

L > 3,000 m

L > 500 m

L > 240 m

Señalización de los elementos de seguridad

L > 300 m

L > 350 m

L > 1,000 m

L > 500 m

L > 300 m

Ventilación

L > 300 m

L > 350 m

L > 500 m

L > 240

Unidireccionales: Longitudinal para L < 500 m Sistemas de ventilación

Longitudinal con extracción masiva para L > 500 m

Según la UE

Bidireccionales: semitransversal o transversal Detección automática de incendios Hidrantes

Extintores Teléfonos de emergencia (postes SOS)

L > 1,000 m L > 300 m (c/ 200 m) L > 300 m (c/ 200 m) L > 300 m (c/200 m)

CCTV

L > 1,000 m

Semáforos en los portales

L > 300 m

Señales dinámicas

L > 1,000 m

Mecánica transversal o semitransversal con extracción de humos para L > 1 000 m y con dispositivos especiales para

Según la PIARC

L > 3,000 m L > 700 m

L > 1,000 m

L > 500 m

L > 240 m

L > 1,050 m

L > 1,000 m

L > 250 m

L > 300 m (c/250 m)

L > 350 m

L > 1,000 m

L > 500 m

L > 240 m

L > 500 m

L > 240 m

L > 1,050 m

L > 3,000 m

L > 1,000 m

L > 500 m

En Latinoamérica, Brasil ha sido uno de los pioneros en implementar una normativa relacionada con la seguridad en los túneles carreteros (ABNT, 2009), aunque en algunos países como Chile y Colombia existen túneles importantes (en construcción y operación) que han tomado recomendaciones internacionales como las establecidas por la AIPCR/PIARC.

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Colaboración Especial

Túneles carreteros mexicanos

Túnel de Acapulco

En nuestro país se considera que un túnel carretero (independientemente de su longitud) debe tener iluminación y aquel que tenga una longitud de 500 m o superior debe poseer ventilación(Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterráneas, AC, 2012). En México existen túneles de gran longitud como es el caso del Túnel de Acapulco (L = 2,900 m), el cual hasta el momento es el más largo que se encuentra en operación; otros están en construcción como el Sinaloense (L = 2,600 m), El Zoquital (L = 1,361 m) y finalmente se han proyectado varios túneles como el de la Supervía Reforma (L > 10,000 m) en la Ciudad de México y el de la Carretera Mante-Tula (L > 1,400 m) en el estado de Tamaulipas.

Este túnel se localiza en el estado de Guerrero sobre la autopista del Sol, que comunica a la Ciudad de México con el puerto de Acapulco de Juárez, en el año de 1996 empezó a funcionar y cuenta con las siguientes características: sección transversal de 13.60 m de ancho, gálibo de 9.60 m y está compuesto por un tubo bidireccional (tres carriles). Para el equipamiento de seguridad se consideraron las recomendaciones establecidas por la AIPCR/PIARC en 1978 (Schmitter & Ayala, 1992); además estos sistemas de seguridad se han estado actualizando según las recomendaciones internacionales y actualmente se cuenta con los siguientes elementos: • Centro de Control. • Caseta con sistema de cobro

electrónico de lectura óptica. • Iluminación básica. • Iluminación de emergencia. • Planta de emergencia. • Ventilación. • Circuito cerrado de televisión (CCTV). • Nichos de emergencia (cada 260 m aproximadamente). • Teléfonos de emergencia (sistema SOS). • Hidrantes. • Extintores. • Bahías de emergencia (cada 260 m aproximadamente). • Semáforos en los portales. • Señales dinámicas. • Detectores automáticos de fuego y niebla. • Detectores automáticos de CO. • Equipos de emergencia. • Equipos de rescate. • Planes de emergencia.

Otros Túneles La Secretaría de Comunicaciones y Transportes (Fimbres, 2009) y algunos gobiernos estatales proyectaron para el periodo 2006 - 2012 más de un centenar de túneles carreteros algunos de los cuales se encuentran en funcionamiento y otros en construcción. Finalmente, en conjunto representan una longitud acumulada de 31,660 m. En la tabla 3 se muestra una relación detallada de estos túneles. Tabla 3. Túneles proyectados para el periodo 2006 - 2012 Carretera

No. de Túneles

Durango - Mazatlán

17,500

México - Tuxpan

6,000

Río Verde - Ciudad Valles

750

Libramiento de Xalapa

270

Barranca Larga - Ventanilla

320

Arriaga - Tuxtla Gutiérrez

380

Acceso portuario a Salina Cruz

550

Atizapán - Atlacomulco

380

Libramiento de Puerto Vallarta

450

Mitla - Tehuantepec II

2,000

Toluca - Naucalpan

840

Libramiento de Tamazunchale

180

Tepic - Vallarta (Compostela)

250

Amozoc - Perote

340

Mante - Tula

1,450

TOTAL

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Longitud total (m)

31,660

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A finales del 2008 el Gobierno del Distrito Federal anunció la proyección de un gran túnel urbano que tendría una longitud superior a los 10,000 m; este proyecto se denominó Supervía Reforma, que comunicaría el centro de la cuidad con el poniente que comprende la zona conocida como Santa Fe. Este megatúnel quedo en etapa de anteproyecto a la espera de que algún día se retome la idea de los grandes túneles urbanos en la Cuidad de México.

Normativa Internacional ABNT. (2009). Proteçao contra incêndio em túneis. Brasília: Associação Brasileira de Normas Técnicas. Asociación Mexicana de Ingeniería de Túneles y Obras Subterraneas, AC. (2012). Túneles en México. México D.F., México. BMVB. (1994). Richtlinier für Ausstattung und Betrieb von Strassentunneln. Bonn: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung. Circulaire Interministerielle No. 2000-63. (2000). Relative à la sécurité dans les tunnels du réseau routier national. Paris: Ministere de l´Equipament, des Transpor et du Longement. Diario Oficial de la Unión Europea. (2004). Requisitos Mínimos de Seguridad para Túneles de la Red Transeuropea de Carreteras. Fimbres, J. M. (2009). Simposio: Diseño, Construcción y Supervisión de Túneles Carreteros (SCT - AMITOS AMIVTAC). México, D.F. Mashimo, H. (2002). State of the road tunnel safety technology in Japan. Tunnelling and Underground Space Technology, 17, 145-152.

Conclusiones y recomendaciones • Debido a los avances tecnológicos en el mundo y al auge en la construcción de túneles carreteros en nuestro país, cada vez se construyen túneles más largos; sin embargo es necesario considerar aspectos de seguridad adecuados que ofrezcan un buen servicio y calidad a los usuarios. • Es importante establecer unos requerimientos mínimos de seguridad para los túneles carreteros en México, con el fin de prevenir accidentes trágicos como los ocurridos en algunos túneles internacionales. • Se debe considerar desde la etapa de diseño de un túnel carretero los requisitos y equipos de seguridad, debido a que éstos generalmente representan un precio considerable durante la construcción; razón por la cual es importante realizar detalladamente análisis y evaluaciones de riesgos para evitar sobrecostos en la obra. • Es recomendable que en los túneles construidos y que actualmente se encuentran en operación, se realicen inspecciones detalladas periódicamente con el objeto de evaluar los equipamientos y buen funcionamiento de todos los sistemas de seguridad que intervienen durante una emergencia.

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NFPA. (2008). Standard for Road Tunnels, Bridges and Other Limited Access Highways. Schmitter, J. J., & Ayala, R. (1992). Túneles de acceso vehícular al puerto de Acapulco. Proceeding of the International Congress Towards New World in Tunnelling, 1, págs. 117 - 123. Acapulco. Technical Committee: C4 Road Tunnel Operations. (2011). Road Tunnel Manual. México, D.F.: World Road Association (PIARC).