Rafael López Guarga
Presidente del Comité Técnico de Túneles de la Asociación Técnica de Carreteras
Zaragoza, octubre de 2008 FERROVIARIA POR EL PIRINEO CENTRAL
DISEÑO Y ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE
GRANDES TÚNELES
INDICE
1 INTRODUCCIÓN ...1
2 GRANDES TÚNELES ...2
2.1 ¿Qué es un túnel? ...2
2.2 Túneles largos y de base...3
2.3 Los grandes túneles y el medio ambiente ... 10
3 PLANIFICACIÓN DE INFRAESTRUCTURAS DEL TRANSPORTE... 18
4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE GRANDES TÚNELES... 21
4.1 Trazado... 23
4.2 Sección tipo. Ferrocarril ... 25
4.3 Sección tipo. Carretera ... 34
4.4 Perfil geológico... 38
5 ELECCIÓN DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO ... 51
5.1 Arranque mediante perforación y voladura ... 51
5.2 Arranque mediante rozadoras... 54
5.3 Excavación con tuneladora ... 57
5.4 Criterios de selección del método de excavación... 63
6 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS GRANDES TÚNELES... 66
6.1 Planificación... 67
6.2 Formación y especialización del personal... 68
6.3 Seguridad... 69
6.4 Mantenimiento de la maquinaría ... 70
6.5 Medios auxiliares sobredimensionados ... 70
6.6 Coordinación entre los equipos ... 71
6.7 Organización y limpieza del túnel ... 71
6.8 Previsión de medios especiales de sostenimiento... 72
6.9 Análisis retrospectivo de los tramos excavados anteriormente y seguimiento de la obra ... 72 6.10 Otros aspectos a tener en cuenta para una buena ejecución del túnel 73
1 INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la sociedad actual, la necesidad de mejorar las comunicaciones inherentes a la globalización y el objetivo de una Europa unida implican la planificación de grandes redes de transporte y nuevas infraestructuras que faciliten la reducción de tiempos, mayores velocidades, menores costes sociales, de manera que permitan el libre tránsito de personas y mercancías.
Lo anterior está llevando consigo la planificación de las infraestructuras con mayores exigencias de trazado en zonas con orografía difícil o accidentes geográficos importantes, donde para encajarlas son necesarias actuaciones de entidad tales como grandes viaductos y túneles.
El objeto de la presente ponencia es apuntar algunas particularidades del diseño y ejecución de estos grandes túneles.
2 GRANDES TÚNELES
2.1 ¿Qué es un túnel?
La Real Academia Española de la Lengua define un túnel como: “Galería subterránea que se abre para dar paso a una vía de comunicación”
En el adelanto de la vigésimo tercera edición del Diccionario de la Lengua Española propone una modificación en la definición anterior a la siguiente:
“Vía subterránea abierta artificialmente para el paso de personas y vehículos”.
Fotografía 1.- Budapest
2.2 Túneles largos y de base
No existe una longitud definida para dividir los túneles en cortos y largos, se podría decir que desde varios puntos de vista se puede asimilar un túnel largo a los siguientes criterios:
- Punto de vista del usuario. Aquel a partir del cual se empieza a sentir una sensación de ansiedad que se puede traducir en una sensación de agobio o claustrofobia.
- Desde el punto de vista técnico no está definido y se deberá distinguir además el punto de vista de la explotación y la construcción.
o Explotación. Un túnel a partir de 200 m precisa medidas especiales, instalaciones de seguridad de cierta entidad, pero es a partir de 1.000 m donde la necesidad de estos equipamientos crece considerablemente, por lo que a efectos de explotación se podría proponer esta cifra como límite de longitud para considerar un túnel como largo.
o En construcción. La división en este caso presenta una componente económica importante, ya que un túnel largo necesita un estudio específico de las posibilidades de ejecución, tales como la elección del sistema constructivo dentro de los existentes, la viabilidad del mismo, tanto económica como geotécnica, llegando incluso a definir procedimientos específicos para ese túnel, la longitud que se podría proponer para ello son los 5 kilómetros.
Fotografía 2.- Ejemplo de túnel largo carretero
El desarrollo de los grandes túneles se inició en los Alpes en el final del Siglo XIX, entre 1848 y 1914, como consecuencia de tres factores:
- La Revolución Industrial ocurrida en Europa a mediados del Siglo XIX llevó consigo la necesidad de mejorar las comunicaciones entre los países que componen los Alpes, para así favorecer el intercambio comercial entre ellos.
- El desarrollo de los ferrocarriles, un nuevo, y revolucionario método de transporte, que presenta unas limitaciones importantes en cuanto a pendientes en su trazado.
- La aparición de nuevas tecnologías de excavación (perforadoras y dinamita) y de transporte (máquinas de vapor) permitió la “osadía”
de acometer estas obras hasta el momento impensables.
Los Alpes son la barrera montañosa más importante de Europa, y separa países europeos industrializados (que luego llegaría a ser Suiza, Francia, Italia, Austria tal como las conocemos con las fronteras actuales)
En este contexto, se construyeron los siguientes túneles que iban a cerrar la gran red europea de ferrocarriles.
Tabla 1.- Listado grandes túneles alpinos S. XIX y XX
Nombre Países Fecha Longitud Tipo
Mont Cenis Francia - Italia 1857 - 1871 12,2 Km Vía doble San Gotardo Suiza 1872 - 1881 15,0 Km Vía doble Arlberg Austria 1880 -1894 10,3 Km Vía doble Simplon I Suiza - Italia 1898 - 1906 19,8 Km Vía única Lötschberg Suiza 1906 - 1913 14,6 Km Vía doble Simplon II Suiza - Italia 1908 - 1921 19,8 Km Vía única
La construcción se realizaba por métodos de sección partida como el austriaco y el alemán, dividendo la sección en fragmentos de dimensiones reducidas, 3 m como máximo.
Se introdujeron mejoras en la construcción de túneles tales como el empleo de la perforación con aire comprimido e hidráulico, la dinamita y la pega eléctrica.
Fotografía 3.- Construcción del Túnel de San Gotardo
Las condiciones de trabajo eran durísimas, con numerosos accidentes de trabajo en condiciones insalubres, temperaturas altas, como ejemplo
cabe citar que el Túnel de San Gotardo murieron 177 personas y 403 lesionados graves, lo que supone un ratio de 12 muertos/Km, impensable en la actualidad.
En España cabe destacar la ejecución del túnel ferroviario del Somport, que salva los Pirineos uniendo España y Francia bajo el puerto homónimo, uniendo las líneas ferroviarias española del valle del Aragón y francesa del valle de Aspe en la estación internacional de Canfranc.
Este túnel fue inaugurado en 1928 por S.M. Alfonso XIII.
Fotografía 4.- Construcción del Túnel de Somport
Según su utilización los grandes túneles, así como los cortos, se pueden dividir en:
- Carreteros. Que a su vez se pueden dividir en:
o Monotubo. Que generalmente se trata de bidireccionales con calzada única, existe alguna excepción como la circunvalación de Paris que en un solo tubo superponen ambas calzadas. Unos ejemplos de monotubos bidireccionales son Montblanc, Somport, Vielha, etc.
o Bitubo unidireccional. Importantes en los trazados de autovía, llegando en algún caso a tritubo con uno reversible en función
de las necesidades de tráfico, como ocurre en la AP-6 en los Túneles de Guadarrama.
- Ferroviarios. El ferrocarril por las limitaciones que presenta en su trazado, sobre todo en cuanto a rasante, históricamente ha precisado de la ejecución de grandes túneles, lo que se ha incrementado con el desarrollo de los trenes de alta velocidad en el mundo. Como ejemplos más destacables son los del Canal de La Mancha, Abdalajis, etc.
Otra subdivisión dentro de los grandes túneles son los llamados túneles de base o baja cota, que presentan todos unas características similares que se enumeran a continuación:
- Longitud superior a 20 kilómetros
- Ferroviarios, dado que la sensación de ansiedad es superior en el transporte por carretera actualmente es difícilmente planteable un túnel carretero de estas características, salvo las excepciones de Noruega que con su orografía y clima extremo tienen el túnel de Leardel de 24,5 Km. Hay tres razones fundamentales que explican el que los túneles de carretera sean de menor longitud: la tolerancia de pendientes más fuertes y radios de curvatura más reducidos, la mayor contaminación de los motores de combustión que obliga a fuetes inversiones para ventilar los túneles largos y el comportamiento del usuario ante los efectos de claustrofobia.
- Atraviesan grandes cordilleras exigiendo realizar túneles con coberteras mucho mayores de 1.000 m, con una geología complicada generalmente dada los procesos orogénicos producidos en estos sistemas montañosos.
Como ejemplo de estos túneles de base destacan, San Gotardo, Löstchberg, Guadarrama y Pajares.
La situación actual de las comunicaciones ha obligado al desarrollo de diversos proyectos de acuerdo con el desarrollo de la sociedad actual, tal y como se ha indicado en la introducción de la presente ponencia.
La ejecución de estos túneles se ha realizado con unos estándares actuales, distintos a los realizados anteriormente, con un coste social menor:
- Desarrollo de nuevas tecnologías en la construcción de túneles, en cuanto a materiales y mecanización de las actividades, que permiten la ejecución de los mismos en plazos inferiores, dados los rendimientos alcanzados, permitiendo de esa manera que empezar a amortizar la actuación en menor tiempo.
- Mantener la calidad del trazado de la infraestructura sin grandes rampas, mejorando la accesibilidad, los tiempos por trayecto y acercando los grandes centros de producción.
- Para conseguir un nivel de riesgo aceptable son precisas mayores inversiones en seguridad, tanto en fase de construcción como en explotación. En la actualidad con la mecanización de los trabajos las condiciones de seguridad y salubridad son mucho mejor que las anteriores, eliminando prácticamente la presencia de operarios en el frente sin tener ejecutado el sostenimiento.
- Compatibilidad con el entorno. La sociedad actual obliga a que las infraestructuras tengan controlados los impactos que producen en el entorno, mejorando todas las actividades de manera que se pueda acometer la infraestructura de manera sostenible.
Se adjunta a continuación un listado de túneles transfronterizos Tabla 2.- Túneles transfronterizos en Europa
TÚNELES DE CARRETERA TÚNELES DE FERROCARRIL
País Nombre Longitud Vía País Nombre Longitud Vía
A-SLO Karawanken 7.865 m A11 A-I Basis Brenner 55.000 m Brenner line A-SLO Loibl 1.570 m B91 A-SLO Karawanken 7.976 m Karawanken line
A-D Füssen-Grenztunnel 1.245 m B179/A7 F-E Somport 7.875 m Pau (F)-Zaragoza F-I Ciriegia-Mercantour 17.300 m PRJ F-E Perthus 8.200 m TGV Perpignan-
Barcelona
F-I Fréjus 12.895 m RN566 F-I Frejus (Cenisio) 13.536 m Mont Cenis line F-I Mont Blanc 11.611 m RN205 F-I Basis Mont d’Ambin 52.110 m
F-I New Col di Tenda (Tende) 3.300 m RN204 F-I Tenda 8.099 m Tenda line F-I Col de Tende 3.186 m RN204 F-MC Monaco 3.092 m Nice-Menton F-I * La Giraude 455 m A8
F-AND Envalira 2.891 m RN20 F-CH Mont d’Or 6.097 m Line Dijon (F)- Lausanne (CH) F-MC Rainier 3me 1.520 m RN7 GB-F Chunnel (Eurotunnel) 50.450 m Subsea tunnel E-F Somport 8.602 m RN134 GB Severn 7.008 m Subsea tunnel E-F Aragnouet-Bielsa 3.070 m A138 I-CH Simplon-I 19.803 m Simplon line I-CH Gran San Bernardo 5.854 m N21 I-CH Simplon-II 19.824 m Simplon line
DK ** Oresundtunnel 4.050 m E20 YU-BIH Trebesica 5.122 m Between Beograd and Bar E ***
F
Cadí Puymorens
5.028 m 4.820 m
E09 E09
YU Sopotnica 1.942 m
* El tubo sur esta en Francia
** Se encuentra en Dinamarca pero forma parte del paso marítimo hacia Suecia (túnel + puente)
*** No están ubicados en la frontera pero muy próximos a ella en ambas vertientes de un eje
Tabla 3.- Túneles ferroviarios más largos
Número País Nombre Fecha de
inauguración Longitud en metros
1 Japón Seikan 1988 53.850
2 Francia - Gran Bretaña La Mancha 1994 50.500
3 Suiza Lötschberg 2007 34.600
4 España Guadarrama 2007 28.400
5 Japón Iwate 2002 25.810
6 Japón Daishimizu 1982 22.200
7 Suiza - Italia Simplon 1906 19.731
8 Suiza San Gotardo En construcción 57.100
9 España Pajares En construcción 24.700
Tabla 4.- Túneles carreteros más largos
Número País Nombre Fecha de
inauguración Longitud en metros
1 Noruega Leardel 2001 24.500
2 Suiza San Gotardo 1980 16.918
3 Austria Arlberg 1978 13.972
4 Francia - Italia Fréjus 1980 12.865
5 Francia - Italia Mont Blanc 1965 11.611
6 Noruega Gudvangen 1991 11.400
7 Japón Kan-Etsu 1991 y 1985 11.010 y 10.926
8 Italia Gran Sasso 1984 10.173
9 España - Francia Somport 2003 8.608
2.3 Los grandes túneles y el medio ambiente
Se ha señalado la necesidad de crear itinerarios de transporte alternativos a los existentes pero esto no debe ser sólo en cuanto a un eje en sí si no también a veces incluso a un nuevo modo de transporte, creando cadenas de modos de transporte integrados en las redes transeuropeas y no sistemas aislados. También se ha indicado que en muchas ocasiones para romper las fronteras se hace preciso acceder a través de parajes de difícil orografía que en general son además de incalculable valor ambiental, ya que constituyen las reservas principales de agua, un hábitat único para numerosas especies vegetales y animales y un espacio único de esparcimiento y para el turismo. Ello ha hecho que se hayan planteado grandes infraestructuras consistentes en largos túneles de baja cota tanto carreteros como ferroviarios.
Por lo tanto la movilidad no podrá existir más que al precio de una red de transporte respetuosa con el entorno y económica en términos de energía y espacio, en respuesta a las necesidades sociales y económicas de cada país y/o región, debiéndose estructurar para asegurar una movilidad económica y eficaz. Deberá establecerse un desarrollo sostenible conjugado con la creación de necesarias nuevas infraestructuras completas y modernas para lo cual habrá que disponer de herramientas y técnicas adecuadas.
La obra subterránea, al igual que cualquier otro proyecto de infraestructura en el ámbito de la construcción, se realiza –físicamente- en el territorio y, por tanto, interacciona con el medio ambiente, teniendo dicha interacción tanto aspectos positivos como negativos. La valoración de estos aspectos depende, a veces, de consideraciones más o menos subjetivas.
A modo de síntesis la siguiente figura refleja un esquema de estas relaciones, que se puede resumir del siguiente modo:
- La construcción y explotación de las obras subterráneas producen efectos positivos y negativos sobre el medio ambiente.
- El factor medioambiental tiene gran peso en la toma de decisiones relativa a la elección de obra subterránea o de obra en superficie, con ventaja para la primera, debida a sus efectos positivos sobre el medio ambiente.
- El medio ambiente condiciona la construcción y explotación de las obras subterráneas (ubicación, costes, etc.)
- Las relaciones entre la obra subterránea y el medio ambiente están condicionadas por el nuevo marco ambiental (jurídico, económico y social)
Figura 1.- Diagrama del modelo de relaciones Obra Subterránea-Medio Ambiente
2.3.1 Efectos positivos de la obra subterránea sobre el medio ambiente
Son muchos los efectos considerados generalmente positivos de la obra subterránea sobre el medio ambiente. Por este motivo ésta es preferible a la obra en superficie cuando los factores medioambientales priman en la toma de decisiones. A manera de resumen, cabe destacar las siguientes ventajas:
- Mínima intrusión acústica en su entorno
- Mínima intrusión visual debida, sobre todo, a la eliminación de terraplenes. Es éste un aspecto verdaderamente importante en las vías de comunicación que atraviesan parajes de alto valor natural y/o paisajístico, lo que es frecuente en zonas montañosas. El impacto sobre el paisaje de la obra subterránea es mucho menor que el de la obra en superficie. La obra subterránea suele ser una obra
perfectamente integrada en su entorno, especialmente si es muy larga (en este sentido, los problemas principales se deben a las trincheras de acceso y a las boquillas).
Bocas túneles en Austria Bocas túneles de San Simón (Fraga-Huesca)
- Minimización de los daños a la fauna y a la vegetación superficial. Ya que apenas se altera la superficie del terreno, tanto durante la fase de construcción como durante la de explotación.
- Minimización de la alteración de los usos superficiales del suelo, así como de las infraestructuras, edificios e instalaciones superficiales.
Este hecho es especialmente interesante en zonas urbanas, pero también en zonas rurales, tanto si tienen un uso agrícola como un uso forestal o de esparcimiento. La obra subterránea permite, con respecto a la obra superficial, una reducción de los costes de explotación, servidumbres, etc. Reduce la superficie de ocupación, tanto de la temporal como de la definitiva.
Túnel de Mont-Terri (Suiza) Autopista Ginebra-Nantua-Lyon
- Menor afección a la hidrología superficial, si se compara con la obra superficial.
- Incremento de las posibilidades de comunicación, debido a la alta funcionalidad que el túnel permite conseguir en zonas con dificultad de comunicación por causa del relieve. Éste puede ser un pilar básico en el desarrollo de áreas rurales deprimidas.
- Mayores posibilidades de controlar las emisiones al exterior de los gases contaminantes y ruidos procedentes del tráfico rodado, debido a la situación, muy localizada, de los puntos de emisión. Esto supone la instalación de chimeneas u otros sistemas de ventilación para intercambiar el aire del exterior y el del interior del túnel.
- Actitud favorable de la opinión pública, que considera las obras subterráneas en general, y los túneles en particular, ambientalmente más aceptables y funcionalmente más eficaces y seguras que las obras en superficie, aunque este criterio está cambiando algo debido a las campañas de los medios de comunicación respecto de los últimos accidentes acaecidos en túneles.
2.3.2 Efectos negativos de la obra subterránea sobre el medio ambiente y medidas correctoras
La obra subterránea puede producir determinados efectos negativos en el medio ambiente. No por ello, en cambio, deja de ser una opción muy aceptable desde el punto de vista ambiental. Además, existen una serie de medidas preventivas y correctoras que permiten paliar en gran parte los referidos efectos negativos.
Fotografía 5.- Vertedero de Orbil (túnel de Somport)
Los principales efectos negativos de la obra subterránea, y sus correspondientes medidas correctoras, son los siguientes:
- Mayores costes de construcción y de mantenimiento, en general, en relación con la obra superficial.
- Alteraciones de la hidrología y de la hidrogeología, entre ellas la contaminación de acuíferos y la captación de agua de los mismos, lo que puede llegar a reducir, en algunos casos, el abastecimiento a la población. Un inventario hidrológico previo y la elección del método constructivo más adecuado pueden minimizar este problema. Para evitar la contaminación de los detritus generados por arrastres producidos por surgencias, se efectuará una buena impermeabilización y una decantación previa al vertido.
Túnel de Somport (fase construcción) Balsas de decantación (túnel de Somport)
- Generación de ruidos, fundamentalmente durante la fase de construcción. Este efecto se minimiza mediante la instalación del adecuado aislamiento acústico de las instalaciones. En espacios naturales con fauna conviene evitar la realización de voladuras en las épocas de cría.
- Modificación del paisaje, en las embocaduras, chimeneas y pozos intermedios. Un adecuado diseño de dichos elementos puede reducir el efecto al máximo. Es también muy aconsejable la revegetación de los taludes en las trincheras de acceso. En cualquier caso, este efecto está muy localizado en el espacio. Para reducir el efecto de los desmontes en embocaduras de túneles se puede construir un falso túnel en las mismas y revegetarizarlo posteriormente.
Fotografía 6.- Tomas para Pozo intermedio de ventilación en el túnel de Somport
- Generación de escombreras durante la fase de construcción. En principio, en la medida de lo posible, conviene utilizar como materia prima los subproductos extraídos de la excavación. Luego hay que tratar de seleccionar el emplazamiento de los vertederos más adecuado y, por último, conviene restaurar y revegetalizar los
mismos. En el caso de que el suelo esté contaminado conviene depositar el material extraído en vertederos adecuados.
- Posible aparición de efectos negativos sobre la “psique” humana cuando las obras subterráneas son de larga longitud. Unos adecuados diseño, iluminación, ventilación y decoración, pueden reducir notablemente estos efectos.
Fotografía 7.- Medidas tendentes a minimizar el efecto claustrofobia
Fotografía 8.- Túneles de la M-40 (Madrid)
3 PLANIFICACIÓN DE INFRAESTRUCTURAS DEL TRANSPORTE
La planificación de las grandes infraestructuras del transporte exige un análisis multicriterio, así como la necesidad de encuadrase dentro de una política tanto nacional como internacional.
Este análisis debe partir del estudio de la situación actual de las redes de transporte, los centros de producción y las necesidades que se tendrá en el futuro, en función de la evolución prevista de varios factores, tales como crecimiento de la población, desarrollo de nuevas áreas de producción, nuevas tecnologías, descentralización actual de la producción (mayor necesidad de transporte), objetivos nacionales e internacionales, etc.
A partir de este punto se realizará un análisis de las necesidades de tráfico tanto de viajeros como de mercancías, así como de su evolución en el futuro y la interconexión de redes que garanticen un buen transporte combinado.
Todos estos trabajos deberán ir acompañados de un plan de viabilidad de la infraestructura, teniendo en cuenta diversos factores en los que los más importantes serán:
- Coste económico de la actuación - Coste medioambiental y/o social - Plazos de amortización
- Vida útil prevista
- Viabilidad técnica de la infraestructura
En una correcta planificación de este tipo de infraestructuras se deben es establecer un orden de prioridades y objetivos, de manera que no se creen cuellos de botella en las redes de transporte, para ello se deberá realizar una planificación adelantada a las necesidades, ya que la ejecución y por tanto puesta en marcha de estas infraestructuras es a medio/largo plazo.
Otro punto que asegurará el éxito de la planificación de la infraestructura es la realización correcta de los estudios previos, es decir con unos buenos cimientos se podrá levantar una buena casa, en el caso que nos ocupa, en los túneles, una inversión importante en las prospecciones previas agilizará en gran parte la finalización de las obras al minimizarse los riesgos en la ejecución y por tanto los cumplimientos de los plazos de entrega.
En el caso de las infraestructuras lineales de las que forman parte los grandes túneles, se realiza un estudio de los distintos corredores posibles así como un estudio del trazado en cada uno y en combinación con los de la otra vertiente definiendo varias posibilidades al túnel de base.
Por tanto resultarán una serie de alternativas que se deberán comparar en un análisis multicriterio, adoptando una valoración cuantitativa a cada uno de los factores que entran en juego en la decisión. Los principales factores serán los siguientes:
- Distancia entre centros logísticos. Se debe planificar para hacer atractiva la infraestructura para los inversionistas industriales y de servicios, lo que garantizará su éxito
- Longitud túneles y otras estructuras especiales, principalmente viaductos
- Inversión / previsión de amortización
- Aspectos geológicos. Con los datos existentes en ese momento se analizarán los riesgos geológico – geotécnicos de cada alternativa
- Aspectos ambientales y sociales. Afección al medio humano y al medio natural
- Aspectos hidrológicos. Afecciones a la red hídrica tanto de superficie como subterránea
- Criterios de trazado. Velocidad de proyecto, lo que redundará en la explotación en los viajeros por año y/o toneladas por año transportadas
Comparando el resultado del análisis de todas las alternativas se adoptará la mejor valorada. En caso de que existan varias con valoración similar se suele optar por la que menor contestación social presente.
4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE GRANDES TÚNELES
Los túneles son obras que no pueden tener un proyecto tipo, sino que cada uno de ellos es un caso particular que debe estudiarse separadamente La implantación en el terreno, características geométricas de alzado y perfil, la sección transversal y los métodos de construcción están estrechamente ligados a la geología, tipos de terreno, clase de carretera, trafico, zona rural o urbana, etc. Por ultimo la longitud del túnel es un factor primordial a la hora de proyectar la ventilación, iluminación, instalaciones de seguridad y resto del equipamiento.
Sin animo de proceder a una enumeración exhaustiva, relacionaremos a continuación algunos puntos a tener en cuenta en la redacción de un proyecto de túnel:
a) Recopilación de datos existentes sobre:
- Obras similares en la zona.
- Estudios geológicos generales
- Estudios de perforaciones o sondeos - Hidrogeología subterránea de la zona
- Normas sobres gálibos, pesos, dimensiones del trafico por carreteras.
- Estudios de tráfico Prognosis existentes.
- Normas sobre seguridad en el trabajo.
b) Realización de un estudio geológico-geotécnico en la zona de implantación del túnel Sondeos, catas, galerías, etc. en la traza del túnel Estudio hidrogeológico particular de la traza.
c) Redacción de un estudio de tráfico a través del túnel extendido a un periodo amplio, teniendo en cuenta las modificaciones que puedan darse en
el futuro por aumento del parque de vehículos; modificaciones en la cantidad de vehículos por construcción de nuevas vías o núcleos de población; modificaciones de la distribución de vehículos pesados y ligeros;
modificaciones en los tipos de motores de los vehículos, velocidad, peso y potencia de los mismos, etc.
d) Elección de las características geométricas: longitud del túnel, tipo de sección. numero de vías, anchura entre bordillos, galibo, zonas de sobreancho, galerías de ventilación, etc.
e) Influencia del tipo de terreno en la forma de la sección, tipo de revestimiento y procedimientos constructivos
f) Incidencia de las instalaciones de iluminación, ventilación y señalización sobre la obra en sí y su método de ejecución
g) Estudio detallado del sistema constructivo Elección del perfil transversal, método de construcción, rendimientos, excavación total o parcial, revestimiento prefabricado, o in situ, tipo de excavación con o sin explosivos, sistemas de transporte, sistemas de drenaje, de ventilación provisional, ritmos de avance, etc.
h) Estudio económico de instalaciones. Coste de adquisición, montaje y explotación de las instalaciones de iluminación, ventilación, señalización y seguridad. Posibles implantaciones por fases.
i) Presupuesto de ejecución detallado y estudio de gastos de explotación y conservación
j) Estudio del nivel de servicio del túnel en comparación con la vía de la que forma parte. Incidencia de la adopción de un nivel de servicio dado en el coste del túnel.
k) Modificaciones en las carreteras de enlace a los accesos al túnel.
Señalizaciones nuevas, tramos de acceso, estaciones de servicio, áreas de mantenimiento y de auxilio.
l) Instalaciones de tipo ambiental, correcciones de paisaje en los accesos, plantaciones, instalación de paralúmenes, tramos en trinchera, protecciones de posibles desprendimientos.
4.1 Trazado
Las exigencias de los nuevos trazados requieren, cada vez mas, excavar túneles en terrenos de baja calidad geotécnica. En situaciones anteriores, la mayor flexibilidad de los parámetros del trazado (curvaturas y pendientes), permitía limitar la excavación de los túneles a los macizos más abruptos que, generalmente estaban constituidos por terrenos de buena calidad.
Figura 2.- Ejemplo de trazado. Túnel de Pedralba
Este condicionante, unido al de las grandes dimensiones de las nuevas secciones como veremos mas adelante, obliga a realizar el diseño de muchos túneles en unas situaciones de mayor riesgo, que hacen necesario resolverlo con las nuevas tecnologías.
Para realizar un buen ajuste del trazado en planta se hace preciso un conocimiento del terreno lo mas realista posible debiendo efectuarse serios estudios geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos.
Por ultimo, cabe destacar que en los extremos de los túneles largos al objeto de evitar problemas de ansiedad de los conductores a la vista de la salida y problemas de deslumbramiento por el efecto frontal de los rayos solares, se recomiendan adoptar modificaciones de trazado mediante alineaciones curvas de amplios radios.
La pendiente longitudinal de un túnel carretero debe limitarse por varias razones:
a) La fluidez del trafico requiere una velocidad mínima alta para los camiones
La velocidad media de un camión es de 80 km/h en terreno llano y de 75 y 50 km/h en rampas del 1,5 % y del 3,21 % respectivamente.
b) Las rampas fuertes requieren suplementos importantes de ventilación, pues los gases de escape aumentan muy deprisa con la pendiente, multiplicándose por 2,3 al pasar de terreno llano a una rampa del 3,21 %.
En túneles ferroviarios la inclinación máxima de la rasante viene definida por las limitaciones propias de este tipo de transporte siendo la pendiente máxima definida por el tipo de línea.
Para facilidad de drenaje de aguas superficiales debe adoptarse una pendiente mínima del 0,25 % ( o más en casos especiales) en la mayoría de los túneles.
Durante la construcción, debido a las aguas filtradas desde el macizo rocoso, la disposición ideal seria la pendiente ascendente desde cada una de las bocas coincidiendo el cambio de pendiente con la zona de calado del túnel. En los casos de pendiente única y excavación hacia abajo desde una de las bocas los problemas de extracción de agua infiltrada pueden condicionar fuertemente los trabajos en algunos casos.
4.2 Sección tipo. Ferrocarril
El incremento de velocidad llevado a cabo en el proceso de modernización de ciertos corredores ferroviarios europeos, con el objeto de disminuir los tiempos de viaje, y por tanto hacer más competitivo al modo de transporte ferroviario, puso de manifiesto un problema hasta el momento (primero años 70) inexistente en el mundo ferroviario, al constatarse que algunos viajeros experimentaban en sus oídos sensaciones desagradables llegando incluso al dolor al paso por los túneles, lo que obligó a reducir la velocidad al paso por los mismos.
Figura 3.- Sección túnel ferrocarril
Eran las primeras constataciones de necesidad de profundizar en un campo de la Física y su aplicación al ferrocarril: la aerodinámica.
4.2.1 Efectos aerodinámicos en los túneles.
Consideraciones básicas
Cuando la cabeza de un tren entra en un túnel, el aire que se encuentra a la entrada se comprime creando una onda de presión que se propaga a lo largo del mismo a la velocidad del sonido, esta onda al llegar a la boca de salida del túnel se refleja como onda de depresión en dirección a la boca de entrada. Por otra parte, cuando la cola del tren entra en un túnel, se produce una caída de presión (ondas de presión) que también se propaga hacia la cabeza del tren a la velocidad del sonido, cuando alcanza la boca de salida se refleja como onda de presión. Este fenómeno se repite hasta que las ondas son amortiguadas totalmente.
Este conjunto de ondas de distinto signo chocan contra el tren mientras dura su tránsito por el túnel produciéndose unas bruscas variaciones de presión en el exterior del mismo. Estas variaciones de presión afectarán a los pasajeros del tren en mayor o menor medida según las características tanto del tren como del túnel.
En caso de un túnel de doble vía la complejidad de las historias de presión se puede incrementar por la existencia de un segundo tren en sentido contrario.
Aproximación teórica al fenómeno
En un túnel de sección uniforme, los principales parámetros que hay que considerar para la cuantificación de las variaciones de presión son los siguientes:
- Velocidad del tren.
- Sección transversal del tren.
- Longitud del tren.
- Forma de la cabeza y cola del tren
- Forma y rugosidad de la superficie exterior del tren - Sección del túnel
- Longitud del túnel
- Rugosidad del revestimiento del túnel
- Condiciones medioambientales (presión y temperatura)
A estos parámetros, y en el caso de un túnel de vía doble hay que añadir las características del segundo tren y el tiempo de desfase de su entrada respecto al primero.
Explotación con trenes estancos
A partir de ciertas velocidades para obtener unas variaciones de presión razonables y admisibles para los criterios de confort recomendables y que serán expuestos posteriormente, serán necesarias secciones muy grandes y por tanto tremendamente costosas, para no penalizar el confort o la velocidad al paso por los túneles.
Esta situación ha sido considerada por los fabricantes de trenes que vieron como una necesidad del mercado la fabricación de los trenes llamados estancos.
Esta realidad añade un elemento nuevo de complejidad al diseño de los túneles, ya que el término estanco no es concepto absoluto: un tren no es o es estanco, sino que en el segundo caso tiene un cierto grado de estanqueidad que hay que conocer.
Criterio de salud
La directiva Comunitaria 96/48CE relativa a la interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad, considera a la salud como una exigencia esencial y que debe ser garantizada en cualquier circunstancia.
Por tanto, en líneas de alta velocidad con túneles y explotadas con trenes estancos, el primer criterio de diseño se asegura que a las velocidades máximas y en las peores condiciones de explotación posibles, la variación de presión externa máxima no sobrepasa el limite de salud ya que al no ser (de momento) los sistemas de estanqueidad “Fail-safe” el conductor del tren no sabe, al entrar en el túnel si ésta va o no a funcionar, lo que implicaría que un tren estanco puede dejar de serlo sin conocimiento previo.
La máxima variación de presión (pico a pico), a la que los pasajeros y la tripulación de un tren pueden ser sometidos, no debe exceder de 10 KPa en cualquier intervalo de tiempo a lo largo del tránsito del tren en cualquier túnel.
Criterios de confort mínimos
No existe consenso en los criterios de confort, no solamente en cuanto a la cuantía de las variaciones de presión sino también en los periodos temporales de medición. Por esta razón, la UIC ha definido unas recomendaciones sobre los niveles de confort mínimos que se aconseja no deben sobrepasarse. Estos límites son los siguientes:
- Trenes no estancos:
o Túneles en vía única: Máx. Variación de presión 3 KPa en 4 s o Túneles en vía doble: Máx. variación de presión 4 KPa en 4 s.
- Trenes estancos: Las presiones experimentadas por los viajeros a bordo de un tren no deberían exceder los siguientes límites:
1,0 KPa en un periodo de 1 s 1,6 KPa en un periodo de 3 s 2,0 KPa en un periodo de 10 s
3,0 KPa durante todo el tránsito del tren en el túnel.
Este criterio es aplicable tanto a los túneles de vía única como a la peor situación posible en los túneles de vía doble (cruce con el peor desfase a la entrada del segundo tren)
Criterios de diseño recomendados
Recientemente un grupo de trabajo español, coordinado por el Ministerio de Fomento, ha definido los criterios para el dimensionamiento de los túneles, dando lugar a la publicación del documento denominado “Recomendaciones para dimensionar túneles ferroviarios por efectos aerodinámicos de presión sobre viajeros”. En el establecimiento de criterios se ha tenido en cuenta una singularidad española como es la posibilidad de que en las futuras líneas de alta velocidad coexistan trenes estancos con trenes no estancos (situación actual de la línea Madrid-Sevilla)
Estos criterios con los siguientes:
1.Criterio de salud
a. Túneles de vía única:
Velocidad del tren: 350 Km/h
La máxima variación de presión no debe superar los 10 KPa durante todo el tránsito del tren en el túnel considerado el tren como no estanco. Los cálculos se deberán realizar para trenes de longitudes de 100, 200 y 400 m de longitud y con una sección transversal de 12m2 (máxima sección contemplada en las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad)
b. Túneles de vía doble
Se analiza el caso de cruce de dos trenes no estancos a 300 Km/h o la velocidad de proyecto del túnel incrementada en un 10% si el resultado es inferior a 300 Km/h, con el desfase a la entrada pésimo.
La máxima variación de presión no debe superar los 10KPa durante todo el tránsito del tren en el túnel.
Las características de los trenes son las mismas que en el caso anterior.
2. Criterio de confort a. Túneles de vía única
Se considera un tren convencional moderno no estanco a la velocidad de 220 Km/h, limitándose a 2 KPa la máxima variación de presión en 4 segundos. El tren de cálculo tendrá una longitud de 20 m y una sección transversal de 10 m2.
b. Túneles de vía doble
Se considera el cruce de dos trenes, con el desfase pésimo, uno de alta velocidad a 300 Km/h y otro convencional a 220 Km/h (en caso de la velocidad del proyecto sea inferior se considerará la velocidad del mismo incrementadas en un 10 %, con jn mínimo de 220 Km/h), limitándose a 4 KPa en 4 segundos la máxima variación de presión que puede experimentar el tren convencional.
Los trenes tendrán las mismas características que en el caso anterior.
Métodos alternativos para evitar el efecto aerodinámico
La construcción de secciones cada vez más grandes, se ha utilizado, como medida prácticamente universal para minimizar las variaciones de presión experimentadas por los viajeros al incrementar las velocidades para poder garantizar los niveles adecuados de confort.
Se han realizado estudios técnico-económicos de alternativas al incremento de sección en túneles en nuevas líneas de alta velocidad estudios también encaminadas a tratar de encontrar métodos para posibilitar el incremento de velocidad en líneas existentes, dadas las dificultades de incrementar la sección en líneas en explotación.
Los métodos seleccionados fueron lo siguientes:
- Boquillas abocinadas ( a la entrada o salida) - Boquillas perforadas ( ala entrado o a la salida) - Utilización de chimeneas
Chimeneas
El uso de chimeneas es el método más extendido en el análisis bibliográfico realizado. La razón es el atractivo teórico que presenta el método al tener un potencial grande en la modificación de las historias de presión. Esta influencia se produce de dos maneras. La primera fragmentado las ondas de presión suministrando rutas alternativas a la propagación de las mismas. La segunda se produce al forzar las chimeneas la migración de las presiones hacia la atmósfera. Este fenómeno se produce durante los periodos de reposo que presentan las perturbaciones mientras se propagan a lo largo del túnel.
Cuanto mayor es el número de chimeneas, mayor es la fragmentación y menores son las magnitudes de las ondas individuales. Sin embargo, teóricamente, existe la probabilidad (¿pequeña?) de que la superposición de múltiples pequeños frentes pueda conducir a mayores fluctuaciones de presión para los pasajeros, probabilidad que no hay que despreciar.
4.2.2 Dimensionamiento por gálibo
Además del criterio aerodinámico se debe tener en cuenta el gálibo considerado en la línea en cuestión, para lo que se deberá tener en cuenta la normativa vigente en el tema.
Los considerados en España son la normativa de RENFE para los trenes convencionales, UIC para interoperabilidad y ADIF para los trenes de alta velocidad.
Dentro de cada normativa además se definen los siguientes:
- Cinemáticos: Gálibo necesario para que el tren circule a la velocidad de proyecto y que con el efecto de la suspensión no colisione en ningún sitio, suele ser el más restrictivo.
- De obstáculos: Es más grande que el cinemático, no debe existir nada en el área definida por él. Se emplea sobre todo en el caso de mercancías al poder existir alguna carga desplazada.
4.2.3 Otras consideraciones
Además de lo anterior para la definición de la sección transversal hay que tener en cuenta el espacio ocupado por las siguientes instalaciones:
- De seguridad: Rutas de evacuación, ventilación, iluminación.
- Ferroviarias: Vía, catenaria, señalización, etc.
- Otras instalaciones: Drenaje, armarios eléctricos, hidrantes, etc.
4.3 Sección tipo. Carretera
Los criterios en los que se debe basar la definición de la sección tipo de un túnel carretero son los siguientes:
- Gálibo, tanto de vehículos como de peatones en aceras. En cuanto al primero por lo general se tiende a dejar 5m libres en cualquier parte de la sección que pueda ocupar un vehículo. Esta cifra se puede rebajar justificadamente en función de otros parámetros, económicos, limitación de altura, tipo de vehículos permitidos, etc.
- Tráfico, estudio evolución de la vida útil de la obra. En caso de previsión de crecimiento importante del tráfico se pueden disponer secciones tipo generosas con previsión de la posible ampliación del número de carriles. Esto se da sobre todos en túneles urbanos o periurbanos.
- Monotubo o bitubo. Se trata de la decisión más importante desde el punto de vista económico, se justificará en función del estudio de tráfico.
- Número de carriles por tubo. También se definirá en función del estudio de tráfico.
- Geotécnicos. Se debe diseñar una sección lo más redondeada posible, evitando los techos muy planos y las esquinas en la parte baja de los hastiales. Para secciones de más de dos carriles esto supone una sección de excavación importante, como mínimo 125 m², lo que supone una parte importante “no utilizada” de la sección.
- Normativa. En general la normativa vigente en cada país define los gálibos, las instalaciones de seguridad que se deben disponer, dimensiones mínimas de los carriles, arcenes, etc.
- Ejecución. Se debe diseñar una sección que sea “ejecutable”, debiéndose tender a secciones sencillas que no generen errores en su excavación.
- Seguridad en la explotación. A la hora de definir las secciones tipo se deberá tener en cuenta el espacio necesario para las instalaciones de seguridad.
- Económicos. En un túnel largo una ligera variación en la sección supone una gran variación en la inversión a realizar, esto hace que se deba optimizar la sección en la medida de lo posible.
8,00 5,30
12.50 18.00
4,50
4,50
AL REFUGIO DE ACCESO VESTIBULO
REFUGIO
DE ESCAPE GALERÍA
Figura 4.- Sección tipo túnel carretero. Túnel de Pedralba
Para definir la sección transversal en un túnel largo es muy importante el conocimiento del trafico que hará uso de él ya que de este dato, en general, también vendrá determinada la frecuencia de averías y de posibles accidentes.
Para un trafico bidireccional, un perfil ancho (10,5 m) permite mantener dos vías de circulación durante la actuación de un vehículo de explotación, mientras que un perfil menor impone una circulación alternativa y crea colas de espera Del mismo modo una anchura holgada permite que al existir un obstáculo por avería de un vehículo pesado. Entre ambos sentidos se dispondrá una mediana como separación de los mismos.
Las secciones típicas para túneles bidireccionales son las siguientes:
- C-100: 1,00 + 3,50 + 1,50 + 3,50 + 1,00 = 10,5 m - C-80: 1,00 + 3,50 + 1,00 + 3,50 + 1,00 = 10,0 m - Resto:
o Carriles de 3,50 m
o Arcenes simétricos, mínimo 0,50 m o Anchura total entre 7 y 9 m
En caso de túneles unidireccionales se debe disponer de un carril de seguridad a la derecha del tráfico, con una anchura de 2,50 m.
Las secciones típicas para túneles unidireccionales son las siguientes:
- 2 Carriles no ampliables:
o 1,00 + 2 x 3,50 + 2,50 = 10,50 m
o 0,50 + 2 x 3,50 + 1,00 = 8,50 m (excepcional) - 2 Carriles ampliables: 10,50 m dentro de 12,50 m
- 3 Carriles no ampliables: 1,00 + 3 x 3,50 + 1,00 = 12,50 m
La explotación de un túnel, cuando su longitud sobrepasa algunos cientos de metros, necesita equipos de ventilación para diluir o eliminar los gases tóxicos. Cuando la longitud es apreciable (mas de 1,5 km) la instalación de ventilación requiere un aumento de la sección transversal para instalar conductos o galerías y, a veces, se requiere la construcción de pozos intermedios
Sin embargo, la adopción de secciones de mayor anchura por motivos de explotación y de seguridad vial, tiene una gran repercusión en las condiciones de estabilidad de la sección excavada, si se tiene en cuenta que los fenómenos tensodeformacionales que se producen en el terreno del entorno de un túnel, están relacionados con las dimensiones de la sección, a través del cuadrado de su anchura. Todo ello da lugar a una mayor demanda de sostenimiento
Como resumen los espacios que hay que disponer en la sección transversal son los siguientes:
- Vehículos. Carriles, mediana y arcenes, con su correspondiente firme.
- Peatones. Aceras
- Instalaciones, las que representan un espacio importante en la sección son:
o Ventilación o Iluminación o Conducciones
- Drenaje. En túneles largos los diámetros de las conducciones necesarias para evacuar todas las filtraciones del macizo son importantes.
- Salidas de emergencia, postes SOS, instalaciones de seguridad
En los túneles, el carácter de la obra ejecutada es irreversible e inmodificable, por lo que conviene ser lo mas realista posible en la estimación de los parámetros mencionados. La economía del proyecto y de la obra en general reside en una buena estimación de necesidades futuras de manera que no se plantee nunca el problema de la escasez de espacio o la falta de nivel de servicio del túnel. Por contra, unos metros cuadrados de más en la sección transversal pueden suponer un gran gasto adicional debido a la gran longitud relativa del túnel.
4.4 Perfil geológico
Para el proyecto de un túnel es de importancia capital el conocimiento del terreno por el cual va a discurrir el mismo. De las características de la roca dependerá el método de excavación, la cuantía de sostenimiento a colocar, las medidas de impermeabilización que se empleen; incluso el trazado puede verse condicionado en ocasiones por las características geológicas de los materiales atravesados.
- Los objetivos básicos que debe cumplir un estudio geológico previo a la construcción de un túnel son los siguientes:
o Definir las características físicas del terreno que va a ser atravesado: litología, estructura, presencia de agua,...
o Definir los parámetros que caracterizan el terreno: resistencia a compresión simple, cohesión, rozamiento, permeabilidad,...
o Definir la aptitud del terreno en orden a la construcción de un túnel, generalmente basándose en la experiencia, y ofrecer criterios básicos a utilizar por el diseñador: método constructivo, sostenimiento, medidas especiales...
o Expresar el grado de incertidumbre que se mantiene después del estudio, en función del grado de definición de éste, en relación con todo lo anterior.
Un estudio geológico completo consta o puede constar de varios métodos de investigación. En general resulta conveniente empezar siempre con los más económicos para obtener una idea general del problema, y pasar luego a los métodos más precisos y más costosos para despejar las incertidumbres que hayan podido plantearse.
4.4.1 Análisis de la literatura existente
La primera aproximación que se debe hacer en todo estudio geológico es la recopilación de toda la información que se pueda conseguir, publicada y no publicada, de la zona de estudio. Ésta permite disponer de gran cantidad de datos aprovechando el trabajo realizado con anterioridad por otros profesionales.
La geología a gran escala de todo el país está publicada por el Instituto Geominero de España (ITGE) en su plano geológico a escala 1:50.000 Serie Magna, que ofrece datos de estratigrafía, tectónica, historia geológica, petrología, hidrogeología y otros. El estudio de esta publicación permite conocer bastantes datos primarios de interés: litología de los terrenos atravesados por el túnel, fallas o pliegues de importancia, periodo geológico al que corresponden los materiales, etc.
Figura 5.-Planta geológica
El ITGE tiene otras publicaciones que pueden resultar interesantes según los casos, entre ellas esta el Mapa Geotécnico General a escala 1:200.000, aunque no suele aportar muchos datos debido a la pequeña escala a la que está realizado. También está disponible el Mapa Hidrológico de España, a escala 1:200.000, que ofrece información sobre formaciones porosas, fisuradas y karstificadas, aforos, consumos de agua, inventario de puntos de agua, niveles freáticos y flujos subterráneos de agua, etc.
4.4.2 Fotografías aéreas
Los pares de fotografías aéreas estudiadas esteroscópicamente son de mucha utilidad para los estudios geológicos. Permiten observar accidentes tectónicos, estratigráficos y geomorfológicos con bastante más claridad que si son observados in-situ desde el suelo. Para interpretar adecuadamente las fotos aéreas es necesario cierta experiencia por parte del geólogo, que debe completar con el reconocimiento sobre el terreno de la zona de estudio.
Existen técnicas especiales tales como infrarrojos, fotos en color, oblicuos o investigación con radar, pero el sistema más usado es el de las fotografías verticales en blanco y negro tradicionales, ya que los otros sistemas sólo aportan datos de interés en contadas ocasiones.
4.4.3 Reconocimientos superficiales
Los reconocimientos sobre el terreno completan la información que es posible obtener directamente, sin medios auxiliares. El estudio tomará en consideración la geomorfología de la zona, la hidrogeología superficial y el estudio de afloramiento rocosos.
Dentro de la hidrogeología deben estudiarse los siguientes aspectos:
surgencias de agua, redes de drenaje superficial, indicios superficiales de karstificación y presencia de vegetación.
El estudio de los afloramientos es muy importante, ya que permite caracterizar la roca superficialmente, y tener una idea de cómo se puede encontrar en profundidad. Debe determinarse, por un lado, la litología exacta del afloramiento, y por otro, la caracterización de las juntas presentes en el macizo rocoso.
4.4.4 Geofísica
Generalidades
Algunos métodos geofísicos tienen una serie de ventajas que hacen que su uso, en los estudios geológico-geotécnicos para los túneles se hayan generalizado. En primer lugar, se trata de métodos relativamente económicos, por lo que pueden utilizarse con cierta amplitud. Por otra parte, tanto la obtención de datos en campo como la interpretación de los resultados, se pueden llevar a cabo en poco tiempo; y por último, son métodos no destructivos, por lo que no deterioran la zona en la que son utilizados.
Tienen los inconvenientes de una precisión menor que los sondeos, y que, para su interpretación, son necesarios conocimientos específicos y una experiencia adecuada. Existen actualmente disponibles un número importante de métodos geofísicos: eléctricos, térmicos, radioactivos, gravimétricos, magnéticos, sísmicos, etc. Desde superficie se usa principalmente la sísmica de refracción y desde el interior de los sondeos, y a lo largo de los mismos, se pueden realizar diversas testificaciones geofísicas, diagrafías o logs, de las distintas propiedades físicas del macizo rocoso como: densidad, resistencia eléctrica, velocidad sónica...
Sísmica de refracción
La sísmica de refracción se basa en el estudio de la propagación de las ondas sísmicas en el terreno. La velocidad de propagación de estas ondas es función del tipo de material, de su estructura, composición, densidad, contenido de agua, etc., por lo que la sísmica proporciona bastante información acerca de las características del terreno.
Cuando una onda pasa de un material a otro distinto, se produce el fenómeno denominado refracción, que se manifiesta como consecuencia de las diferentes velocidades de propagación de la onda en cada material. La refracción consiste en la desviación del tren de ondas un cierto ángulo, función de la relación entre ambas velocidades.
2655
485 480 475 470 465 460 455 450 445
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
10 20 30 40 50 60 70 80 90
m.s.n.m.
Posición geófonos
Tiempo en milisegundos
410,3000, etc.: Velocidades aparentes en m/s.
DROMOCRÓNICA DEL PSD-1 (EXTO. 1)
ONO
440 490
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
DROMOCRÓNICA DEL PSD-1 (EXTO.2)
1445 1420
1530
1660 1810 1800
1800
1620 1660 1695
1675 1630
1575 1575
980
700 790
3100
3100
3100
3000
2700 2590
V ~ 2000 Contacto
aproximado
Contacto aproximado 550 485
630 420
600 500
560 590
590
410 275 580875
410 420
420
Cruce con PSD-4 Cruce con PSD-3
Cruce con PSD-2
SE CORTE SÍSMICO DEL PSD-1 (EXTO.1)
CORTE SÍSMICO DEL PSD-1 (EXTO. 2) 590 630 410
590 560 420 600
500
1760
1760 700
1865 1625 1565
1300
1500
1840 3210 3000
3000 3000
3000 3000
3210
3210 3210
3210
ESE NO
420 485
550 420
410 580875
275 790
1580 785
880 1110 1535 1620 1620
1735 1640 1660 1665
3000 2525
2525
2525
2655 3000 3000 3000
1580
Figura 6.- Perfil resultante sísmica de refracción
A partir de los registros sismográficos obtenidos, se pueden determinar las velocidades de propagación Vp y Vs de las distintas capas del terreno así como las profundidades de los contactos entre distintos materiales.
A partir de la velocidad Vp puede estimarse la ripabilidad de un terreno, así como su grado de alteración y fracturación mediante la comparación con los valores considerados típicos para cada tipo de roca. También se pueden obtener el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson dinámicos de la roca.
En el proyecto de túneles, la aplicación más habitual de la sísmica de refracción es el estudio de las boquillas, ya que determina las profundidades de la roca sana y alterada y permite establecer el punto más conveniente para el emboquille del túnel.
Sísmica de reflexión de alta resolución.
Básicamente, el método sísmico de reflexión consiste en generar un tren de ondas sísmicas, mediante una fuente de energía apropiada (martillo,
“pistola”, caída de peso, dinamita, etc.) y medir el tiempo de trayecto de dichas ondas, una vez reflejadas en las distintas capas o interfaces con suficiente contraste de impedancia acústica (velocidad x densidad), entre la fuente de energía y una serie de sensores (geófonos), dispuestos en línea recta a partir de ella (perfil).
Del conocimiento preciso del tiempo empleado y de la velocidad, se pueden reconstruir las trayectorias de éstas ondas primarias, y delinear la disposición estructural de los distintos horizontes sísmicos a lo largo del perfil.
La generación / transmisión de ondas sísmicas lleva asociada otros tipos de ondas no deseadas, originadas por las condiciones de superficie, ruido aleatorio ambiental, reflexiones múltiples, etc., que se registran al mismo tiempo que las ondas primarias, pero que las técnicas de hoy en día permiten atenuar considerablemente mediante un registro multicanal.