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IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE CON GEOSINTÉTICOS EN TÚNELES. Página: 1 de 16 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

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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

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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

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- RIVAS, JOSÉ LUIS (2000).: Ingeotúneles. Libro 3. Cap. 11. Ed. Carlos López Jimeno.

Madrid.