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IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES.
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Fecha: diciembre 2005 Mariano Úbeda Rodríguez
PROPIEDAD DE TECNOLOGÍA DE IMPERMEABILIZACIÓN EN TÚNELES, S.A. – PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN SIN AUTORIZACIÓN
SEMINARIO DE TÚNELES Y VIADUCTOS. 1 de diciembre de 2005.
IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES.
Mariano Úbeda Rodríguez ([email protected])
Diciembre 2005
IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES.
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Fecha: diciembre 2005 Mariano Úbeda Rodríguez
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INDICE:
1. INTRODUCCIÓN.
2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN.
INFLUENCIA DE PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS.
INFLUENCIA DEL TERRENO.
INFLUENCIA DEL AGUA.
INFLUENCIA DEL USO DEL TÚNEL.
3. IMPERMEABILIZACIÓN PRIMARIA.
4. IMPERMEABILIZACIÓN INTERMEDIA.
5. IMPERMEABILIZACIÓN PRINCIPAL.
6. IMPERMEABILIZACIÓN POSTERIOR.
7. IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS:
COLOCACIÓN EN SÁNDWICH.
DEFINICIÓN DE MATERIALES.
PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN.
8. IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS:
COLOCACIÓN EN LÁMINA VISTA.
DEFINICIÓN DE MATERIALES.
PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN.
9. BIBLIOGRAFÍA.
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1. INTRODUCCIÓN.
Funcionalidad, durabilidad, seguridad, conservación, y en definitiva, calidad y menores gastos de mantenimiento durante la explotación; son algunas de las razones que justifican la
impermeabilización durante la ejecución de túneles.
Todo ello, con el fin de impedir filtraciones de agua que podrán afectar al revestimiento estructural,
disgregando la masa de hormigón por procesos de gelifracción, carbonatación y/o cristalización de las
sales disueltas; así como evitar la corrosión de las instalaciones por reacciones electroquímicas y de
oxidación.
El presente documento recoge las exigencias mínimas que se deben seguir para la elección,
instalación y verificación del sistema de impermeabilización de túneles y galerías con
geosintéticos.
Abarcando los materiales para la impermeabilización, así como los requisitos del soporte donde
van a ser fijados, y la metodología de aplicación.
Además de las geomembranas de cloruro de polivinilo (PVC), poliolefinas (polietileno lineal
(LLDPE) o polietileno de muy baja densidad (VLDPE)) o espuma de polietileno (PE) reticulado;
generalmente se aplican conjuntamente otros tipos de materiales geosintéticos tales como:
geotextiles, geocompuestos de drenaje, etc.
2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE IMPERMEABILIZACIÓN.
La impermeabilización de una obra subterránea podrá tener distintos sistemas de
impermeabilización, que dependerán de los siguientes factores:
2.1. INFLUENCIA DE PARÁMETROS HIDROGEOLÓGICOS.
El sistema de impermeabilización dependerá directamente de los caudales de agua infiltrados en
el túnel. Existen diferentes métodos empíricos para calcularlos, tales como: método de Hvorslev,
Goodman, Heuer, Dupuit, Romanova, etc.
Dichos caudales variarán en función de:
La geología de los sustratos, en cuanto a la capacidad para almacenar y transmitir el agua;
existencia de fallas, contactos, plegamientos, etc.
La climatología, factores como la pluviosidad, heladas, evaporación, etc. Está directamente
relacionados con la capacidad de recarga de los acuíferos.
La geomorfología, donde las condiciones de la superficie, orografía, y características del suelo,
determinan la escorrentía superficial; y por tanto las posibilidades de infiltración relacionada
directamente con la recarga de los acuíferos.
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Los parámetros hidrogeológicos más interesantes son:
• Porosidad.
• Permeabilidad.
• Gradiente hidráulico.
• Transmisividad.
2.2. INFLUENCIA DEL TERRENO.
Los sistemas de impermeabilización podrán variar en función del tipo de terreno, ya que estarán
directamente relacionados con el método de excavación empleado, y también con el tipo de
sostenimiento sobre el que se va a instalar el sistema.
Pueden distinguirse tres tipos de terreno:
• Terreno duro.
• Terreno quebrado.
• Terreno blando.
2.3. INFLUENCIA DEL AGUA.
Los sistemas de impermeabilización también pueden variar en función del tipo y calidad del agua.
Pueden distinguirse tres tipos de impermeabilización, dependiendo del tipo de agua contenida en
el macizo donde se excava:
• Impermeabilización en franja capilar, mediante sellado de poros.
• Impermeabilización en zonas de saturación, será flexible y resistente a la presión;
evacuando el agua hacia los drenajes longitudinales.
• Impermeabilización en agua subterránea, será flexible, resistente a la presión y
cerrada; englobando toda la sección para evitar filtraciones por presión en la
contrabóveda.
Será necesario analizar las condiciones físicas y químicas del agua, para garantizar que no
deterioran el sistema de impermeabilización.
2.4 INFLUENCIA DEL USO DEL TÚNEL.
El sistema de impermeabilización también dependerá del uso final al que se destine dicha obra, y
por tanto, del grado de estanqueidad o cantidad de filtraciones que se permitan. La definición de
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impermeabilidad para el diseño de túneles y galerías, según la norma Española UNE 104 424, es
la siguiente:
Grado de Imperm.
Características de humedad
Utilización de la obra Filtraciones de agua
l/m2 en 24 horas
1 No permitida la
difusión de vapor
desde el exterior
• Lugares secos:
• Locales refrigerados
• Presencia continua de personas
• Almacenes sensibles a humedad
0
2 SECO
Permitida la difusión
de vapor
• Instalaciones militares y locales húm.
• Locales con instalaciones de energía
• Locales subterráneos de uso general
0
3 SECO • Almacenes y locales comerciales
• Estaciones de metro
< 0,001
4 CASI SECO • Túneles de autopistas
• Túneles de montaña
• Túneles ferroviarios de alta velocidad
< 0,01
5 Filtraciones capilares • Aparcamientos
• Túneles de carretera y en roca
< 0,1
6 Ligero goteo de agua • Túneles de ferrocarril
• Líneas de metro
< 0,5
7 Goteo de agua • Túneles de alcantarillado < 1,0
Conforme a las influencias descritas anteriormente, el sistema de impermeabilización podrá
constar de hasta cuatro fases:
• Impermeabilización primaria.
• Impermeabilización intermedia.
• Impermeabilización principal.
• Impermeabilización posterior.
3. IMPERMEABILIZACIÓN PRIMARIA.
Siempre que sea necesario, comprende los trabajos provisionales de taponamiento, o recogida y
conducción hasta drenaje de filtraciones de agua.
Tradicionalmente se han utilizado métodos como el drenaje Oberhasli, con el empleo de tubos o
medias cañas, sujetos al paramento con cementos de fraguado ultrarrápido, proyección de
morteros o gunita.
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Foto 1. POZIDRAIN (ABG. England)
Actualmente, existe una gama bastante
amplia de geocompuestos de drenaje de
núcleo de estructura alveolar de polietileno
de alta densidad (PEAD) con geotextil de
polipropileno (PP) adherido, con capacidad
de descarga hasta 1,40 l/m/sec y
resistencias a compresión hasta 1.000 kPa,
tipo POZIDRAIN. Que son de fácil y sencilla
colocación, y por tanto de baja cuantía
económica con buenos resultados.
4. IMPERMEABILIZACIÓN INTERMEDIA.
Son los trabajos de proyección de hormigón o mortero, con la finalidad de sostener
provisionalmente la excavación. A la vez de proteger la impermeabilización primaria, si se ha
hecho por métodos tradicionales. Y también con la finalidad de regularizar y preparar el soporte
donde después se va a ejecutar la Impermeabilización Principal.
La regularización del soporte, a la que no siempre se le da la importancia necesaria dado el alto
coste de los hormigones proyectados, es fundamental para garantizar una buena instalación y
funcionamiento posterior del sistema de impermeabilización.
Según lo indicado en la norma UNE 104 424, los requisitos mínimos que deberá cumplir el soporte
son:
• No existirán irregularidades con un radio
inferior a 20 cm.
• La profundidad de una irregularidad no
deberá ser superior a 15 cm respecto a
la superficie de terminación.
• En una irregularidad, la relación
profundidad/extensión debe ser igual o
inferior a 1/5.
• Los elementos de anclaje y bulonado
que sobresalgan del soporte se cortarán
en su parte no funcional, tratándose
según lo descrito anteriormente.
Foto 2. Ejemplo de soporte en malas condiciones.
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5. IMPERMEABILIZACIÓN PRINCIPAL.
Son los trabajos de ejecución de una membrana impermeable de cualquier tipo que garantice la
estanqueidad del túnel. Hay diferentes tipos:
• Revocado o gunitado.
• Revestimientos con resinas (membranas acrílicas proyectables).
• Revestimiento con morteros
predosificados.
• Sellado de juntas de dovelas
prefabricadas.
• Revestimiento con geosintéticos.
o Colocación en lámina vista, sobre
sostenimiento definitivo.
o Colocación en sándwich, confinado
entre sostenimiento provisional y
revestimiento de hormigón.
Foto 3. Imperm. con geosintéticos en sándwich
Estos últimos tipos serán desarrollados a continuación, detallando los tipos de materiales, así
como su puesta en obra.
6. IMPERMEABILIZACIÓN POSTERIOR.
Son aquellos trabajos, previstos o no, complementarios de la impermeabilización principal, o bien
trabajos de reparación posterior. Tales como:
Foto 4. Imperm. con geosintéticos en lámina vista.
• Inyecciones.
• Morteros predosificados impermeables.
• Revoques o gunita.
• Taponamiento y sellado de grietas y juntas.
• Rejuntado de mampostería.
• Drenajes.
• Reimpermeabilización con membranas, en
lámina vista.
o Colocación en lámina vista, sobre
sostenimiento definitivo.
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7. IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES. COLOCACIÓN EN SÁNDWICH.
7.1. DEFINICIÓN DE MATERIALES.
Los materiales utilizados en este tipo de impermeabilización pueden ser divididos en tres grandes
grupos:
• Principales:
o Geotextil.
o Geomembrana impermeabilizante de PVC o POLIOLEFINAS.
• Complementarios:
o Geocompuestos de drenaje.
o Juntas de compartimentación y remate.
o Dispositivos de inyección, drenaje e inspección.
• Auxiliares:
o Discos de PVC o PE.
o Elementos de fijación: Clavos y cartuchos de fulminante.
7.1.1. Geotextil.
Durante la impermeabilización de túneles el geotextil asume las siguientes funciones:
Protección, el geotextil evita la perforación de la geomembrana en las aristas y puntos
salientes, y facilita el deslizamiento de la misma por posibles movimientos convergentes del
terreno portante.
Drenaje, el geotextil evacua el agua en su plano, para evitar la formación de subpresión y el
aire hacia el drenaje longitudinal durante el proceso de hormigonado del revestimiento.
Los geotextiles a utilizar deben poseer un espesor y gramaje constante, y presentar uniformidad
en cuanto a sus características a lo largo de toda su superficie. Estarán constituidos por fibras
entrelazadas de origen químico-orgánico, de las que destacamos Polipropileno, por ser las que
mejor comportamiento presenta en contacto con ambientes extremos de pH. La unión mecánica
entre fibras del geotextil no tejido debe ser conseguida por agujeteado. Las principales
propiedades de los geotextiles para este tipo de aplicación, según indica la norma UNE 104 424,
son las siguientes:
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Túnel a
cielo abierto
Túneles excavados con hormigón proyectado
Túnel con
dovelas
Características Unidad Norma Árido
0-4 mm Árido
0-8 mm Árido
0-16 mm
Resist. A tracción kN/m2 ISO 10319 > 7 > 15 > 18 > 21 > 7
Alargamiento a
rotura % ISO 10319 > 80/40 > 80/40 > 80/40 > 80/40 > 80/40
Resisten. CBR N ISO 12236 > 1500 > 2500 > 3000 > 4000 > 1500
Permeabilidad en el
plano
m2/s a 200
kpa ISO 12958 10-7 10-7 10-7 10-7 10-7
7.1.2. Geomembranas de PVC o POLIOLEFINAS.
En este sistema de impermeabilización se emplearán geomembranas homogéneas sin armar,
hechas a partir de PVC (Cloruro de Polivinilo) o Poliolefinas, pudiendo ser las últimas del tipo
LLDPE (Polietileno Lineal) o VLDPE (Polietileno de muy baja densidad). Pertenecientes a la
familia de los termoplásticos, obtenidas por calandrado o extrusión, y de apariencia traslúcida,
opaca u opaca bicolor (con capa señalizadora).
Las dimensiones del rollo deberán ser, siempre que sea posible, de longitud similar al perímetro
del túnel a impermeabilizar y el ancho máximo, que permita en todo momento su adecuado
manejo. De forma que se reduzcan al mínimo el número de soldaduras realizadas en obra.
La comparación entre características técnicas de PVC y POLIOLEFINAS, y las mínimas
recomendadas por la norma UNE 104 424 para este tipo de aplicación, son las siguientes:
Característica Ud. Mínimo según UNE 104 424
PVC POLIOLEFINAS
Espesor nominal mm > 2 2 2
Resistencia a tracción Mpa > 15 > 17 > 44
Alargamiento a rotura % > 300 > 300 > 800
Plegado a baja temperatura A –20º C Sin fisuras Sin fisuras Sin fisuras
Resistencia al desgarro N > 60 N > 80 > 128
Comportamiento al calor % < 2 - -
Envejecimiento térmico % < 1 - -
Resistencia a percusión Altura mm > 750 > 1100 > 3000 N (CBR)
Comportamiento al fuego - Autoextinguible - B1 / B2
Resistencia microorganismos - Resistente Resistente Resistente
Resistencia a raíces - Resistente Resistente Resistente
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7.1.3. Geocompuestos de drenaje.
Los geocompuestos de drenaje a utilizar en el sistema de impermeabilización de túneles serán
generalmente de núcleo de estructura alveolar de polietileno de alta densidad (PEAD) con
geotextil de polipropileno (PP) adherido, llegando a capacidades de descarga hasta 1,40 l/m/sec y
resistencias a compresión hasta 1.000 kPa, tipo POZIDRAIN.
La función principal de estos geocompuestos es la de mejorar la capacidad de drenaje del
geotextil. Siendo colocado en las zonas con afluencias de agua.
7.1.4. Juntas de compartimentación y remate.
Las juntas de compartimentación y remate podrán
ser hechas a partir de PVC o PE. De forma y
dimensiones diferentes en función de los aportes
de agua que se prevean tener y según su
fabricante. A ser posible traslúcidas para favorecer
un mejor control de la termosoldadura sobre la
geomembrana.
Figura 1. Juntas Waterstop
Su función primordial es asegurar la estanqueidad en el inicio y final de los tramos
impermeabilizados. Así como generar una compartimentación de diferentes tramos a lo largo de la
longitud del túnel, acotándonos un posible punto de ruptura, razón que nos beneficiará en el caso
de ser necesarias labores de impermeabilización posteriores (reparaciones).
7.1.5. Dispositivos de inyección, drenaje e inspección.
Foto 5. Accesorios tipo Trumpett.
Los dispositivos de inyección, drenaje e
inspección se fabrican a partir de PVC o PE.
De forma y dimensiones diferentes en
función de su fabricante.
Estas piezas con forma de embudo y un tubo
estarán unidas por termosoldadura a la
membrana, para permitirnos en cualquier
momento tener acceso al trasdos del
hormigón de revestimiento.
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7.1.6. Discos de PVC o PE.
Los discos de PVC o PE son utilizados para la fijación de la geomembrana al soporte.
Previamente serán fijados al soporte mediante fijación directa (clavo o, taco y tornillería), y
posteriormente la geomembrana será termosoldada a estos.
Los discos deben ser del mismo material que la geomembrana, pero menos resistencia a ruptura
que la geomembrana, a fin de evitar la ruptura de esta en el caso de generarse tensiones durante
el hormigonado del revestimiento.
Los discos deben presentar una superficie de entre 50 a 60 cm2 (de 8 a 9 cm de ∅), y una
superficie mínima de contacto con la membrana de 40 cm2.
7.1.7. Elementos de fijación: clavos y cartuchos de fulminante.
Los elementos de fijación actúan de forma temporal, ya que aguantarán el peso de la
impermeabilización fijada al soporte, únicamente, hasta que se realice el revestimiento de
hormigón definitivo.
Los clavos de fijación directa
generalmente tendrán una longitud de
entre 27 y 37 mm en función del tipo e
irregularidades que presente el
soporte. Empleándose para adaptar el
geotextil al contorno del túnel, y los
discos que suspenderán la
geomembrana.
Foto 6. Elementos de fijación.
Los cartuchos de fulminante se emplean con las herramientas de fijación directa para fijar los
clavos al soporte. Su potencia deberá estar de acuerdo con las resistencias del soporte donde
vamos a fijar.
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7.2. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN.
7.2.1. Puesta en obra del geotextil.
Foto 7. Colocación de geotextil.
El geotextil será fijado al hormigón
proyectado del soporte por medio de clavos
de fijación directa con arandela. Serán
aplicados los clavos necesarios para
adaptarlo a la geometría del soporte.
Los paños serán colocados de manera
transversal al eje del túnel. Tras la aplicación
del primer paño, el segundo quedará
solapado sobre el anterior en 20 cm como
mínimo.
7.2.2. Puesta en obra de la geomembrana.
Previamente se colocarán los discos de PVC o PE. La cantidad a aplicar será diferente entre la
zona de hastiales y clave, teniendo en esta última una densidad mayor de discos por metro
cuadrado.
La aplicación de la geomembrana se
efectuará colocando los paños
transversalmente al eje del túnel, sujetas a
los discos anteriormente colocados por
termofusión, con aire caliente y sometiendo a
presión.
La geomembrana deberá quedar sin tensión,
de manera que le permitirla soportar las
tensiones durante el hormigonado de
revestimiento.
Foto 8. Colocación de geomembrana.
La aplicación de los sucesivos paños se hará de manera similar, garantizando un solape entre
ellos mínimo de 8 centímetros. Para asegurar una buena ejecución de la soldadura posterior.
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7.2.3. Soldaduras por termofusión.
Foto 9. Soldadura por Termofusión.
La técnica empleada es conocida como
soldadura doble por termofusión con canal
central para pruebas, mediante cuña o aire
caliente (superior a 400 ºC) y con presión
mediante rodillos para la obtención de junta
estanca. En las zonas particulares de remates
o detalles, donde técnicamente no es posible
realizar soldadura doble, se utilizará soldadura
en banda (sencilla) con un ancho mínimo de 4
centímetros.
Las soldaduras serán comprobadas
inyectando aire a presión por el canal
de pruebas, previamente cerrado en
sus extremos, a 2 Bar, durante 15
minutos, permitiendo durante el ensayo
una pérdida del 10%, debido a la
flexibilidad de la geomembrana, según
norma UNE 104 481-3-2.
Foto 10. Comprobación de soldadura
8. IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES. COLOCACIÓN EN LÁMINA VISTA.
8.1. DEFINICIÓN DE MATERIALES.
Los materiales utilizados en este tipo de impermeabilización pueden ser divididos en dos grupos:
• Principales:
o Geomembrana de Espuma de Polietileno (PE) Reticulado.
• Auxiliares:
o Parches de PE reticulado.
o Elementos de fijación: Espigas.
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8.1.1. Geomembrana de espuma de PE reticulado.
En este sistema de impermeabilización se emplearán láminas de espuma de polietileno (PE)
reticulado, unida en una sus caras a una rafia de refuerzo, y en la otra cara a un film de protección.
Gracias a la estructura molecular de PE, la absorción de agua es prácticamente nula, se evita
cualquier tipo de filtración. De manera que se puede drenar el agua, circulando entre el trasdós de
la membrana y el sostenimiento. Siendo conducida hasta las canalizaciones y drenes previstos en
al pie de los hastiales.
Además, debido a su bajo coeficiente de conductividad térmica (en torno a 0,035 W/mºK)
proporciona un buen aislante térmico. Eficaz en zonas próximas a emboquilles de túneles de alta
montaña, para prevenir la formación de hielos.
Una de sus características más importantes a tener en cuenta a la hora de seleccionar la
membrana, debe ser su clasificación de comportamiento al fuego. Debiendo el conjunto de
lámina, rafia y film, alcanzar cuanto menos una clasificación de M1 según norma UNE 23727.
Dado que esta lámina quedará vista en el túnel, y estaría en contacto directo con un posible
incendio.
8.1.2. Parches de PE reticulado.
Los parches de PE reticulado, son piezas
circulares de unos 12 cm de Ø cortadas a
troquel de la misma geomembrana, que se
emplearán para tapar todos los elementos de
fijación que no queden cubiertos con los
solapes, o para reforzar el remate de
elementos salientes de anclaje de
instalaciones.
8.1.3. Elementos de fijación: Tacos o Espigas.
Como elementos de fijación se emplearán
tacos o espigas con arandela, alojadas en
taladro de 8 mm de Ø. Fabricados a base de
polipropileno (PP), evitando así problemas
de oxidación y riesgos de desprendimiento
de la geomembrana con el paso del tiempo
Foto 11. Parches PE y espigas de fijación.
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8.2. PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN.
8.2.1 Puesta en obra de la geomembrana.
La aplicación de la geomembrana se efectuará colocando los paños transversalmente al eje del
túnel.
Perforando el soporte y fijando la membrana
mediante el empleo de espigas, con una
densidad de unas 4 fijaciones / m2 en la zona
de hastíales, llegando hasta las 6 fijaciones /
m2 en clave. Con el objeto de adaptarse
perfectamente al soporte, sin que queden
bolsas e irregularidades. Y garantizando al
mismo tiempo su estabilidad, ya que esta
fijación deberá ser definitiva y duradera en el
tiempo.
Foto 12. Colocación de geomembrana.
Las siguientes láminas se colocarán empleando el mismo procedimiento, solapándolas con la
anterior un mínimo de 12 cm. E intentando cubrir las cabezas de la primera fila de elementos de
fijación de la lámina anterior.
Finalmente se efectuarán las soldaduras de
los solapes por termofusión, y se cubrirán
todas las fijaciones que no hayan quedado
tapadas por los solapes, con parches del
mismo material.
Foto 13. Colocación de Parches.
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9. BIBLIOGRAFÍA.
- ADUVIRE, OSVALDO (1997).: Manual de Túneles y Obras Subterráneas. Cap. 16.
Ed. Carlos López Jimeno. Madrid .
- COMITÉ TÉCNICO AEN/CTN 104 (1994).: Norma Española UNE 104 481.
Comprobación de la estanqueidad de las uniones entre láminas impermeabilizantes.
Ed. AENOR. Madrid.
- COMITÉ TÉCNICO AEN/CTN 104 (2000).: Norma Española UNE 104 424. Sistemas
de impermeabilización de túneles y galerías con láminas termoplásticas prefabricadas
de PVC-P. Ed. AENOR. Madrid.
- JUSTO, JOAO LOURENÇO (1998).: Manual do impermeabilidad em túneis.
Sotecnisol, Lda. Lisboa.
- JUSTO, JOAO LOURENÇO (2004).: Instalaçao do sistema de impermeabilizaçao e
drenagem com geossintéticos em túneis em excavaçao. Tesis Doctoral. Lisboa.
- RIVAS, JOSÉ LUIS (2000).: Ingeotúneles. Libro 3. Cap. 11. Ed. Carlos López Jimeno.
Madrid.