Pavimentos en Túneles

PAVIMENTOS EN TNELES: FACTORES A CONSIDERAR PARA SU TIPO Y DISEO

Manuel G. Romana Prof. Titular de Universidad

Departamento de Ingeniera Civil: Transportes Universidad Politcnica de Madrid

NDICE

1. INTRODUCCIN 1

2. TIPOS DE PAVIMENTO 2

3. CLASIFICACIN DE TNELES 3

3.1. Clasificacin de la UE 3

4. FACTORES DE ELECCIN DEL TIPO DE PAVIMENTO 5

4.1. Caractersticas de los tneles 5

4.2. Caractersticas del pavimento 8

5. LA CONSTITUCIN DE LA SUBRASANTE 11

5.1. Introduccin 11

5.2. Tneles en roca buena 13

5.3. Tneles en suelos sin empujes ni hinchamiento 14

5.4. Tneles con contrabveda (en rocas o suelos) 15

5.5. Tneles ejecutados con tuneladora 15

5.6. Tneles con una galera inferior 17

2 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA

6. EL AGUA EN EL TNEL 19

7. LAS OPERACIONES DE CONSERVACIN Y REHABILITACIN 20

8. PECULIARIDADES DEL DIMENSIONAMIENTO 21

9. ALGUNOS CASOS CLAROS 22

10. BIBLIOGRAFA 23

PAVIMENTOS EN TNELES: FACTORES A CONSIDERAR

PARA SU TIPO Y DISEO Manuel G. Romana

Prof. Titular de Universidad Departamento de Ingeniera Civil - Transportes

Universidad Politcnica de Madrid

1. INTRODUCCIN

Esta introduccin comienza con una nota terminolgica: para este documento, se emplear pavimento en el sentido que se le da a la palabra en Latinoamrica, esto es, al conjunto de capas superpuestas de materiales manufacturados de elevada calidad y algunos centmetros de espesor cuya finalidad es conseguir dos finalidades:

que la circulacin de los vehculos sea cmoda y segura en cualquier climatologa a la velocidad de proyecto

que la estructura soporte las cargas de los vehculos pesados durante un perodo de diseo razonable (varios aos)

En Espaa se denomina pavimento nicamente a la ltima capa, por la que se circula.

Los pavimentos en tneles tienen una caractersticas fundamentalmente diferente de la del resto de la traza: su coste relativo es muy importante fuera del tnel (del orden de un 25 % de la carretera, en condiciones normales) y muy bajo en el tnel (menos de un 5 %). Tambin difieren del pavimento que se dispone sobre las estructuras en que, en stas, no se suelen disponer capas inferiores, sino nicamente una rodadura, para disminuir el peso propio y aprovechar la rigidez de los materiales que constituyen la estructura.

En los tneles es habitual disponer la estructura completa del pavimento, ya que el peso no es una preocupacin y, hasta en los casos en los que el material es de buena calidad como cimiento del pavimento, resulta ms caro terminar la excavacin con la regularidad precisa para colocar materiales tan costosos como las mezclas bituminosas o el hormign de pavimentos, ya sean en masa o armados.

1


2. TIPOS DE PAVIMENTO

Dependiendo de la naturaleza de las capas del pavimento, y considerando las tcnicas normalmente empleadas hoy en da en todo el mundo, puede hablarse de pavimentos:

flexibles: son los formados por capas de materiales de rigidez creciente desde el cimiento, cuyas capas inferiores suelen ser granulares, con espesores del orden de 0,25 m, y con un conjunto de capas de mezclas bituminosas o riegos con gravilla que no superan los 15 cm de espesor.

semiflexibles: son pavimentos de estructura similar a la de los flexibles, pero en los que, por la intensidad de trfico que soportan, los espesores de mezclas bituminosas superan los 15 cm, llegando a los 30 cm.

semirrgidos: son pavimentos con capas superiores bituminosas, que se apoyan sobre capas inferiores de las que al menos una est constituida por materiales tratados con ligantes hidrulicos (normalmente cemento). Estas capas proporcionan un soporte rgido y absorben muchos esfuerzos, pero su principal inconveniente es que se fisuran por retraccin. Por ello es preciso aceptar este hecho, sellando las fisuras en superficie o, preferiblemente, prefisurar las bases tratadas y cubrirlas con capas antiremonte de fisuras o un espesor suficiente de mezclas bituminosas.

inversos: son los que tienen una constitucin similar a los semirrgidos hasta las capas tratadas con ligantes hidrulicos, pero sobre stas y bajo las capas bituminosas se dispone una capa granular que impide la transmisin de esfuerzos tangenciales a las capas bituminosas.

rgidos: son aquellos en los que se dispone una losa de hormign que constituye al mismo tiempo la capa de rodadura y la resistente. Esta losa reparte los esfuerzos en un rea muy grande, pero su espesor es importante (entre 22 y 35 cm, sea cual sea la intensidad de trfico pesado). La losa de hormign puede ser en masa (en este caso la losa tiene una longitud de unos 4 5 m) o ligeramente armado, para que el acero impida la fisuracin del hormign.

mixtos: son pavimentos en los que se dispone una capa de rodadura de 5 cm sobre una losa de gran canto de hormign en masa. Se emplean sobre todo en entornos urbanos, por la sencillez que caracteriza a las reparaciones locales y a la restitucin del pavimento sobre zanja, pozos y otras obras.

CARRETERAS DE DOS CARRILES 3

3. CLASIFICACIN DE TNELES

3.1. Clasificacin de la UE

Muchos pases y organismos han elaborado clasificaciones de tneles para gestionar mejor su red de carreteras. Una publicacin de la AIPCR internacional resume bastantes de estas clasificaciones (vase la bibliografa).

En su Propuesta de DIRECTIVA DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO sobre requisitos mnimos de seguridad para tneles de la red t anseuropea de carreteras, de 2002, que ha sido elevada a directiva en abril de 2004, la Comisin (el rgano de gobierno ejecutivo) de la Unin Europea propuso una clasificacin de tneles basada en tres aspectos:

r

x Trfico unidireccional o bidireccional

x Intensidad de trfico (medida a travs de la Intensidad Media Diaria o IMD por carril)

x Longitud en km

Es oportuno hacer varias observaciones:

La longitud mnima de un tnel son 500 m, segn esta clasificacin. Este valor es razonable para redes de carreteras, generalmente en campo abierto, en las que es raro que existan estructuras de soterramiento de entre 60 y 500 m. En entornos urbanos sera conveniente tratar como un tnel a cualquier tramo de va tipo carretera soterrada de ms de 200 m.

La clasificacin tiene como nico objetivo establecer categoras de dotacin en equipamiento de seguridad.

Los umbrales de intensidad han sido establecidos pensando en una red madura (aunque muy variable si se comparan la Unin Europea anterior a 2003 y la Europa del Este), en una regin con una gran densidad de poblacin y un nivel de desarrollo muy alto y con intensidades de circulacin muy elevadas.


Tabla 1. Clasificacin de tneles de ala UE (Directiva de seguridad en tneles, 2004)

Intensidad de trfico Longitud del tnel Tipo de tnel Tipo de trfico

VT = veh./d/carril L en km Clase de

tnel

9000 < VT L > 0,5 I

L > 3 I

1 < L < 3 II 4500 < VT < 9000

0.5 < L < 1 III

L > 6 I

3 < L < 6 II

1 < L < 3 III 2000 < VT < 4500

0.5 < L < 1 IV

L > 10 I

3 < L < 10 II

1 < L < 3 III 500 < VT < 2000

0.5 < L < 1 IV

L > 20 I

10 < L < 20 II

3 < L < 10 III

1 < L < 3 IV

Un tubo bidireccional

VT < 500

0.5 < L < 1 V

12500 < VT L > 0,5 I

L > 1 I 9000 < VT < 12500

0.5 < L < 1 II

L > 3 I

1 < L < 3 II 4500 < VT < 9000

0.5 < L < 1 III

L > 6 I

1 < L < 6 II 2000 < VT < 4500

0.5 < L < 1 III

L > 6 I

3 < L < 6 II

1 < L < 3 III

Ms de un tubo

unidireccional

VT < 2000

0.5 < L < 1 IV


La causa directa de esta clasificacin es ordenar las inversiones necesarias en seguridad de la infraestructura, y su definicin actual es producto de un estudio de longitudes de tneles de carretera en varios pases desarrollados, y de las conclusiones de diversos grupos de expertos tras los ltimos incendios en tneles en los Alpes (Mont Blanc en 1999, Tauern en 2000 y San Gotardo en 2003).

Los incendios han supuesto una autntica revolucin en los criterios de seguridad que se aplican en tneles, comenzando por una revisin completa de la infraestructura y su funcionamiento y resultando en unos cambios en la filosofa de diseo y, especialmente, en las necesidades de infraestructura de deteccin de incendios y de informacin y evacuacin de usuarios en caso de incidente. Es de desear que este esfuerzo tenga continuidad en la informacin y educacin de los usuarios, para que esta ingeniera de diseo sea verdaderamente eficaz.

Los pavimentos no han sido omitidos en esta revisin de necesidades y funcionamiento en caso de incendio, siendo revisados su carga de fuego (aunque no es una caracterstica de diseo fundamental, como se ver luego, es evidente que los materiales bituminosos son inflamables) y su respuesta en caso de emergencia.

En consecuencia, la clase a la que pertenezca el tnel es un factor que debe ser considerado a la hora de establecer el tipo de pavimento que se construir en l.

4. FACTORES DE ELECCIN DEL TIPO DE PAVIMENTO

4.1. Caractersticas de los tneles

Otros factores que deben ser considerados a la hora de elegir el tipo de pavimento de un tnel son el terreno en el que se excava, el entorno (montaoso, rural, periurbano o urbano), la longitud del tnel, la existencia o no de desvos alternativos, la posibilidad de corte de la circulacin, la escasez de espacio disponible en la seccin (alternativamente, el coste de construir espacio adicional), el firme del resto del eje y la comprensin de la seccin por parte del conductor. A continuacin se pasa revista a estos factores, pero deben recordarse dos cosas:

que no son factores independientes, de manera que todos ellos influyen en otros. Por ejemplo, puede ser posible colocar cantidades menores a precio


competitivo en entornos urbanos, en los que el suministro ya existe, que en entornos de montaa alejados de los centros de produccin.

que todos ellos son relativos, siendo posible encontrar ejemplos y contraejemplos para lo que se quiera. En todo caso, la existencia de un ejemplo de cualquier cosa nunca debe producir la inferencia de una regla. El refranero cuenta con ejemplos contradictorios que no caben en un mismo cuerpo de doctrina pero que pueden ser ciertos en determinadas condiciones. En las decisiones que se tomen en pavimentos de tneles hay que caminar por el mismo filo de la navaja que en el resto de la ingeniera: distinguir entre las reglas y sus excepciones.

En cuanto a su longitud, es importante distinguir tneles que permiten razonablemente la adopcin de un tipo de pavimento diferente de aqul del resto del eje (y no slo una seccin distinta de un pavimento del mismo tipo). Un criterio habitual de longitudes es colocar distintas secciones de pavimentos del mismo tipo a partir de tramos de ms de 200 m, mientras que para un tipo de pavimento diferente la medicin de las unidades de obra ms pequeas deben compensar su suministro, so pena de resultar excesivamente costosas. Una longitud mnima habitual es de 3 km. Cabe sealar que esta longitud es la total de los tneles existentes dentro de una misma obra, por lo que puede alcanzarse sumando las longitudes de los tneles existentes en el tramo. En operaciones de construcciones de ejes completos bien organizadas puede ser posible coordinar varias obras para lograr un fin como el de construir tramos cortos en cada obra, pero esto no siempre ocurre en la prctica, normalmente por problemas logsticos y de organizacin econmica de las obras.

La eventual existencia de desvos alternativos que no supongan un excesivo aumento de la longitud del viaje (en tiempo) influye en la eleccin de tipos de pavimentos, como los rgidos, en los que resulta complejo (aunque siempre posible) realizar reparaciones manteniendo la circulacin por carriles adyacentes. En tneles de vas con calzadas separadas (tubos dobles o triples) o en entornos urbanos los desvos suelen ser sencillos, y en tneles urbanos es posible cortar la circulacin en perodos de demanda relativamente baja (normalmente en verano) o incluso todas las noches durante varias horas. En tneles de montaa en carreteras convencionales de dos carriles es difcil realizar cortes que no sean excepcionales, y difcilmente durante ms de 12 horas.

En el tnel se produce simultneamente una relativa escasez de sitio y otra de glibo, cerca de los laterales. Las secciones de tnel de dos carriles excavado en mina suelen tener unos 80 m2 libres, pero las estructuras soterradas tienen espacios menores (60 a 70 m2), y los glibos libres (medidos bien en borde de carril o, deseablemente, en borde de arcn)oscilan entre algo ms de 4 m en tneles urbanos


restringidos a los camiones grandes y los 5 o 5,5 m de los tneles ms espaciosos. Por otro lado, hay que considerar que tanto el espacio como el glibo inicialmente disponibles para la construccin del pavimento (las instalaciones, como ventiladores, conductos de ventilacin, luminarias, etctera, se pueden y se suelen construir despus) pueden ser considerablemente mayores que en las tareas de conservacin y rehabilitacin, con todas las instalaciones en su sitio.

La Directiva de la UE habla de carriles de acceso de emergencias que pueden hacer aumentar mucho el espacio disponible para construir el pavimento, ya que pueden dotarse de glibos inferiores y pavimentos diferentes del resto de la seccin. Sin embargo, en muchos casos conviene tener un pavimento que permita el uso del carril para desvos provisionales.

El tipo de pavimento adoptado para el resto del eje influye el la eleccin del pavimento de los tneles ubicados en l. En un eje de montaa con numerosos tneles y estructuras, lo que debe pesar son los tneles. En casos en los que un tnel tiene un peso relativamente bajo, el pavimento del tnel debe ser del mismo tipo que en el resto, para facilitar no ya la construccin, sino la conservacin y eventuales rehabilitaciones.

El entorno en el que se encuentra el tnel puede ser montaoso, rural, periurbano urbano. El entorno influye en los trazados adoptados y en los itinerarios alternativos y posibilidades de corte. Aparte de lo ya dicho, en entornos montaosos es posible que la pendiente del tnel sea elevada, y con ello se penalizan los pavimentos rgidos, en los que los empujes longitudinales pueden ocasionar el pandeo de las losas. Los radios en tneles nuevos suelen ser relativamente generosos, pero tambin podra aplicrseles un razonamiento similar si fueran muy reducidos (las encofradoras deslizantes tienen un radio mnimo).

Finalmente, el terreno puede influir en caso de materiales expansivos o bloques de falla activos, que pueden ocasionar desplazamientos del tnel que suelen obligar a reconstruir el pavimento en los puntos en los que los desplazamientos son importantes. Adems, si los emboquilles no estn adecuadamente reforzados, pueden producirse movimientos de similar importancia y naturaleza a algunas decenas de metros de las bocas. El otro factor del terreno cruzado que puede influir en el pavimento es el agua del macizo, a la que se dedica un apartado especfico.


4.2. Caractersticas del pavimento

Las caractersticas que ha que considerar de un pavimento para tneles son las siguientes (siempre se considera, evidentemente, que tanto el dimensionamiento como la construccin son correctos) :

Vida til

Propiedades exigidas para su cimiento

Necesidades de espacio y maquinaria para su conservacin

Programa de conservacin: operaciones y plazos previstos

Necesidades y plazos de rehabilitacin (en primer lugar en nmero de ejes y en segundo en plazo estimado)

Color y contraste en la seccin transversal

Carga de fuego y riesgo de incendio

Incidencia de las juntas en la circulacin

Los pavimentos flexibles tienen una vida til de ms de diez aos, son sencillos de reparar, y existe maquinaria disponible de glibo normal o reducido para las tareas de conservacin y rehabilitacin. Por el contrario, las necesidades de rehabilitacin son mayores que en los pavimentos rgidos. Las dems caractersticas de estos firmes se comentan a continuacin, al tratar los pavimentos semiflexibles.

Sin embargo, no es frecuente que se construyan tneles para intensidades de trfico pesado tan bajas que permitan la construccin de pavimentos flexibles. Existen, por supuesto, excepciones como Noruega, donde se ha aprovechado que disponen de roca de muy buena calidad para desarrollar una tecnologa propia para la construccin de tneles para intensidades de trfico muy bajas. La inversin en estos casos se justifica por las dificultades de circulacin por el exterior en invierno.

Los pavimentos ms frecuentes en tneles en el mundo son los semiflexibles, con ms de 15 cm de mezcla bituminosa sobre una o varias capas granulares. Presentan una vida til prolongada, gracias al espesor de las mezclas. Sin embargo, deben apoyarse sobre un cimiento estable y compacto, siendo desaconsejable que el cimiento tenga un ndice CBR inferior a 10, y debe intentarse que se supere el valor


de 20. Las condiciones de saturacin son perjudiciales para estos cimientos, como lo son para la resistencia de las bases granulares que se emplean en estos pavimentos.

Requieren de maquinaria convencional y pueden construirse o repararse en espacios y glibos relativamente reducidos. Las operaciones de conservacin puede realizarse con cortes de un solo carril, pero son mas frecuentes que las necesarias en los pavimentos rgidos. Si se busca, pueden tener un color negro que contraste adecuadamente con las marcas viales y con las paredes claras, ya sean decoradas o de hormign. Se consigue as una muy buena comprensin de la seccin por parte de los conductores. Este color negro debe ser buscado, ya que en muchos casos el color del pavimento resulta gris, y de escaso contraste con el hormign de la pared. Cuando la superficie de rodadura es muy negra disminuye la luminancia del pavimento y, consecuentemente, aumenta la energa necesaria para iluminarlo.

Los pavimentos bituminosos son combustibles, y la carga de fuego de los semiflexibles puede ser importante. A favor de su empleo, pese a esta circunstancia, est que los incendios no suelen tocar el pavimento, sino que se producen en la caja de camiones. Las fotografas del incendio de San Gotardo muestran como la destruccin fue casi completa por encima el chasis de los camiones, y escasa por debajo. En contra de su empleo est el hecho de que se han detectado restos de la combustin de materias bituminosas (si bien en cantidades relativamente pequeas) en el humo de algunos incendios. Finalmente, estos pavimentos no presentan juntas apreciables, salvo la longitudinal de construccin, que puede terminarse con una calidad elevada.

Los pavimentos semirrgidos cuentan con capas inferiores de gran rigidez, que reparten mucho las cargas y, consecuentemente, pueden apoyarse sobre materiales ms endebles. En cambio, su resistencia depende de su espesor, de manera que reducciones de espesor del 10 % pueden resultar en prdidas del 90% de la vida til. Por tanto, las capas inferiores deben tener una gran regularidad y no se puede jugar con los espesores. Los materiales tratados con conglomerantes hidrulicos tienen un rido de buena calidad, se fabrican en central y se disean de manera que cuenten con un esqueleto mineral resistente. Los contenidos de conglomerante son pequeos.

Estos pavimentos suelen contar con una rodadura bituminosa, una base de gravacemento y una subbase de suelocemento, apoyados sobre explanadas granulares o estabilizadas in situ con cemento. Su vida til es muy prolongada, especialmente si se consigue una buena adherencia entre la capa bituminosa y a base, y el cimiento puede ser relativamente dbil. Se construyen con mquinas de tamao medio, y la conservacin consiste en el sellado de las grietas transmitidas por la retraccin de las capas de base y sbase. Si el dimensionamiento es adecuado, no


tiene porqu producirse movimientos importantes entre losas, y el sellado de las grietas es sencillo.

En cuanto a color y contraste, los pavimentos semirrgidos tienen las mismas caractersticas que los semiflexibles, con los que comparten las capas de rodadura. Su carga de fuego es ms reducida, al serlo el espesor de la capa bituminosa. Las juntas que constituyen las grietas, aun cuando se prefisuren las capas inferiores, existen y deben ser consideradas, aunque su incidencia puede reducirse empleando capas antiremonte de fisuras. Por ltimo, las capas tratadas con conglomerantes hidrulicos no requieren tanta calidad como los pavimentos de hormign, y permiten que el usuario no perciba cambios si el resto del eje cuenta con un firme flexible o semiflexible.

Los pavimentos inversos renen las ventajas de resistencia de los semirrgidos con las de los semiflexibles, dndose adems la circunstancia de que, como se ver, son muy adecuados en tneles, por las condiciones constructivas de la solera del tnel. Las principales desventajas son la mayor necesidad de conservacin y la carga de fuego. La disposicin de la capa granular reduce las necesidades de acabado de las capas tratadas con conglomerantes hidrulicos, pero no las del acabado del cimiento y de espesores mnimos.

Los pavimentos rgidos presentan ventajas claras en cuanto a su larga durabilidad, su reducida necesidad de conservacin y su carcter de no combustible, contando con una carga de fuego muy reducida. Adems, su color claro refleja la luz y reduce las necesidades de iluminacin. Las desventajas que comportan son varias. En primer lugar est la mayor necesidad de espacio y glibo lateral para construccin y reparaciones. Otras que pueden mencionarse son la existencia de juntas en muchos casos, las dificultades de colocacin de las marcas viales y la ms reducida percepcin de estas por parte de los conductores. Tambin tienen un contraste menor con las paredes del tnel, salvo que se coloquen revestimientos de colores claros.

Sin ser especficamente una desventaja, hay que considerar que la construccin de estos pavimentos conlleva una elevada exigencia de calidad, y que se construyen con maquinaria especializada que requiere una determinada longitud para resultar competitiva.


5. LA CONSTITUCIN DE LA SUBRASANTE

5.1. Introduccin

Los factores ms importantes en el diseo de un pavimento son, por orden:

x La intensidad de vehculos pesados en el carril de diseo

x La calidad de la subrasante

x Los factores ambientales, como la temperatura o el agua

Tradicionalmente, al estudiar el cimiento del pavimento se ha centrado la atencin en las ltimas capas de la obra de tierra (tpicamente los 0,50 a 1 m superiores). Actualmente, la tendencia es analizar no slo el comportamiento resistente de la coronacin, sino tambin el del terreno subyacente. Se trata as de caracterizar los materiales existentes en todo el conjunto que puede influir en el comportamiento del firme. Aunque el espesor considerado es variable segn el procedimiento aplicado (puede llegar a los 2 m), es aconsejable considerar siempre un espesor de al menos 1 m.

En definitiva, parece ms correcto reservar la palabra explanada para aludir exclusivamente a las caractersticas geomtricas finales de la subrasante y cimiento del pavimento para referirse a las caractersticas resistentes de los materiales que conforman los ltimos metros de estas obras. Estos conceptos se ilustran en la figura siguiente.

Figura 1. Seccin de pavimento, explanada y cimiento del firme


En consecuencia, se conoce como capacidad de soporte del cimiento del firme a su resistencia a la deformacin bajo las cargas del trfico. Los factores principales que intervienen en esta capacidad de soporte son:

La resistencia al esfuerzo cortante de los materiales que lo constituyen, que depende a su vez de la densidad alcanzada y de su humedad de puesta en obra.

La humedad existente en cada momento. Los suelos saturados tienen una capacidad de soporte inferior a los suelos no saturados, por lo que en general a mayor humedad el suelo presenta una menor capacidad de soporte.

Por tanto, la capacidad de soporte de un determinado terreno en el que se excava un tnel, an cuando el cimiento del firme est compuesto por los mismos materiales, podr ser variable en el espacio y en el tiempo, debido a la inevitable variabilidad de los suelos y de su contenido de humedad. Para llegar a un diseo coherente es preciso adoptar para cada material en el proyecto un valor suficientemente reducido, de forma que en la vida de la carretera este valor represente un lmite inferior de las capacidades de soporte existentes en cada punto en la poca ms desfavorable.

La capacidad de soporte del cimiento, as considerada, se refiere a las mximas cargas que se puede garantizar que sern resistidas por dicho cimiento. En consecuencia, el firme debe disearse de forma que las cargas de trfico transmitidas al cimiento no superen este valor (el cimiento cedera), ni sean sensiblemente inferiores (el diseo no sera econmico). En este proceso debe tenerse en cuenta que tanto la solicitacin como la respuesta de los materiales es de carcter dinmico y, en general, no lineal. Adems debe considerarse el efecto de la aplicacin repetida de las cargas (fatiga).

En carreteras y en aeropuertos suelen emplearse ensayos relativamente sencillos, como el del CBR (en laboratorio) y los ensayos de carga con placa (in si u). Son ensayos comparativamente lentos, que no tratan de simular la aplicacin real de cargas. Las deformaciones impuestas al suelo en estos ensayos son generalmente muy superiores a las que pueden producir las cargas del trfico, las magnitudes de las cargas aplicadas no son iguales a las de trfico y su velocidad de aplicacin es mucho ms lenta (aunque no sean ensayos estticos propiamente dichos). Su utilidad reside en las correlaciones empricas con el comportamiento del cimiento en muchas obras y por ello su empleo es prcticamente universal.

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A finales del siglo XX aparecieron tres herramientas nuevas para la evaluacin y el diseo de los cimientos de los pavimentos: los programas de elementos finitos tridimensionales con modelos de materiales no lineales, los ensayos triaxiales cclicos de materiales granulares compactados y los deflectmetros de impacto. Los primeros


permiten predecir las trayectorias de tensiones que sufren los elementos del cimiento, los segundos evaluar la respuesta de los materiales bajo cargas repetidas y los terceros medir la respuesta de un cimiento real ante una solicitacin dinmica. La combinacin de estos elementos puede modificar el diseo y la evaluacin de los cimientos de los firmes en el futuro prximo.

En los tneles en roca, aun cuando esta sea muy blanda, no tiene demasiado sentido el empleo del ndice CBR, ya que el mdulo de deformacin del cimiento ser muy superior al mnimo requerido para el pavimento. Debe recordarse, adems, que el ndice CBR es muy representativo del material cuando su resultado est entre 3 y 40, y escasamente significativo para valores superiores. Si el tnel est excavado en roca conviene estimar el mdulo mediante correlaciones y ensayos en testigos de sondeo, o, ms raramente, mediante mediciones in situ con placas de carga.

A continuacin se repasan los diferentes casos de terrenos y las opciones de diseo que pueden tomarse.

5.2. Tneles en roca buena

En tneles en roca buena (ndice Rock Mass Rating de Bieniawski, RMR > 40) el material tiene una rigidez sobrada para ser el cimiento del pavimento (un ejemplo de seccin transversal tpica de un tnel en estos materiales se presenta en la figura 2). En estos casos las mayores dificultades residen en lograr un acabado suficientemente regular del cimiento y contar con un material que no tenga piedras sueltas. Si se logra al menos lo segundo, puede construirse la subrasante de cuatro maneras diferentes:

1. Esta superficie puede ser muy adecuada para recibir una capa granular que sirva de regularizacin y de subbase del pavimento, que podr ser en este caso de cualquiera de estos tipos: flexibles, semiflexibles o semirrgidos. En el caso de pavimento rgido es aconsejable que la base est tratada, especialmente cuando es difcil la compactacin adecuada de materiales granulares (por ejemplo, si los finos pasantes por el tamiz #200 de la ASTM, o 0,080 mm, no superan el 10% en peso) o cuando haya agua en este nivel. Por ello debe desaconsejarse en principio esta opcin en este caso: si el pavimento es de hormign, es preferible optar por alguna de las otras tres soluciones.

2. La segunda opcin es rellenar las irregularidades con hormign pobre (de unos 5 MPa de resistencia a compresin simple). Esta tarea lleva un componente importante de mano de obra, frente a la opcin anterior que es ms fcilmente mecanizable.


Figura 2. Seccin de tnel en roca

3. En tercer lugar, es posible rellenar todo el fondo de excavacin con suelocemento, hasta lograr un espesor de mnimo del orden de 25 cm sobre suelos con menos del 35% de finos y CBR superior a 5 o 50 cm sobre suelos de peor calidad.

4. Finalmente, puede optarse por disponer una solera de hormign que cierre la seccin del tnel. De esta manera la solera constituye una explanada de calidad excelente para el pavimento.

5.3. Tneles en suelos sin empujes ni hinchamiento

En caso de excavar un tnel en suelos hay que construir la subrasante de la misma manera que en un fondo de desmonte en un suelo de las mismas caractersticas,


empleando la normativa para lograr una resistencia adecuada al espesor y naturaleza de las capas de pavimento.

5.4. Tneles con contrabveda (en rocas o suelos)

Cuando se trata de tneles excavados en materiales que producen empujes excesivos tras las construccin, como es el caso de los suelos expansivos, las rocas deformables y con grandes empujes (squeezing rock en ingls), las anhidritas y otros materiales de comportamiento similar, lo ms adecuado es establecer una seccin de tnel con curvatura en todas sus partes, disponiendo una contrabveda (figura 3). Es posible as resistir las presiones transmitidas por el terreno con una estructura de hormign en masa o, como mucho, ligeramente armado con una forma que se acerca al antifunicular de las cargas.

En tneles de carretera o ferrocarril, la anchura de la seccin utilizada impone el relleno de la parte inferior, hasta que la secante tenga la longitud deseada. Como se aprecia en la figura, el espacio entre el arco y la secante es importante. Como quiera que estas secciones se dan en terrenos de mala calidad, la solucin ms adecuada para este relleno no es ejecutarlo con el material excavado, salvo en casos excepcionales. Contando con que en este espacio deben disponerse los sistemas de drenaje que sean oportunos y algunos conductos auxiliares para instalaciones u otras infraestructuras, ya sean secundarias o de comunicaciones, una buena solucin es rellenar con hormign pobre, lo que proporciona una base estable, de alta rigidez y una regularidad muy sencilla de conseguir. Adems, este hormign proporciona un margen adicional de seguridad, ya que colabora algo a la resistencia a eventuales cargas del terreno.

En consecuencia, lo ms adecuado en estos casos es contar con una subrasante de excelente calidad, sobre la que puede disponerse cualquier clase de pavimento.

5.5. Tneles ejecutados con tuneladora

Las tuneladoras, conocidas con los nombres de topos, escudos o, ms comnmente, como mquinas tuneladoras integrales (TBM en ingls, tunnel boring machine), permiten la ejecucin del tnel en un proceso continuo a seccin completa y con un proceso limpio y seguro, con rendimientos muy elevados (con una media superior a


los 500 m al mes). Sin embargo, su empleo est lastrado con las siguientes circunstancias:

un coste muy elevado,

un plazo de fabricacin (en caso de ser una tuneladora nueva) o rehabilitacin (si se trata de una mquina que ya ha ejecutado otro tnel) importante (entre 7 y 15 meses),

un espacio dedicado a instalaciones de ms de 100 m de longitud y alrededor de dos decenas de metros de anchura

un tiempo de montaje de entre dos y tres meses.

Figura 3. Seccin de tnel con contrabveda


A la vista de estas circunstancias, es evidente que el empleo de tuneladoras compensa nicamente en tneles muy largos (ms de 2 km de longitud, salvo excepciones).

La forma de la seccin es circular (figura 4). Dada la situacin de la cuerda de anchura necesaria para la calzada, el espacio entre el pavimento y la contrabveda o parte inferior del tnel es an mayor que el existente en tneles con contrabveda. Proceder simplemente al relleno de este volumen puede ser desaprovechar un espacio que resulta caro de construir. En la figura 4 se representa una seccin de tnel de tres carriles para una autopista. Es un diseo similar al elegido para los nuevos tramos subterrneos que se ejecutarn con tuneladora en la ampliacin de la M-30 en Madrid.

En la parte inferior de la seccin se dispone un carril de emergencia, que permite el acceso al tnel a personal de atencin en emergencia y asistencia. La estructura que est entre este espacio y la calzada principal es prefabricada, con una capa de compresin. Lograr el mximo glibo en la mxima anchura posible exige limitar el canto de esta estructura. Esto va en contra de cargar la estructura con una seccin de pavimento semiflexible. Un pavimento de hormign tiene un espesor total menor, y se compone de capas resistentes. Por ello el pavimento rgido es la solucin ms adecuada.

Si se procede al relleno de la seccin, la solucin de pavimento puede ser cualquiera.

5.6. Tneles con una galera inferior

Las nuevas exigencias de equipamiento de seguridad hacen que pueda ser necesaria una galera de acceso y evacuacin estructuralmente independiente. Con el objeto de evitar elevado coste de una excavacin nueva independiente, es normal disponer esta galera en una gran trinchera en la parte inferior de la seccin, normalmente cuando el material tiene una cohesin o resistencia a compresin simple elevada, y esta trinchera es estable a corto plazo.

En estos casos la trinchera puede constituir una subrasante de rigidez muy diferente a la del resto de la seccin transversal. Para evitarlo se suele rellenar la clave de esta trinchera con hormign en masa de unos 15 MPa de resistencia caracterstica. Esta solucin resulta ideal para el pavimento, pero constituye una sobrecarga importante para la galera inferior, cuya estructura debe estar calculada para soportarla. Otra solucin posible es minimizar el espesor de hormign, y colocar un relleno aligerado (arlita, polietileno, etc) entre la galera y la losa de la subrasante.


Figura 4. Seccin de tnel con tuneladora

Figura 5. Seccin de tnel con una galera inferior


6. EL AGUA EN EL TNEL

En algunos tneles se produce una importante infiltracin de agua procedente del terreno. El agua est en la parte inferior de la seccin, en contacto con el pavimento, y puede afectar a todos los materiales que lo constituyen, y especialmente a la explanada.

Si esta infiltracin es localizada, la mejor solucin es disponer una sobreexcavacin rellena con material drenante y conducir a continuacin el agua por un colector. En estos casos lo mejor es disponer una capa impermeable entre el relleno filtrante el pavimento, y lo mejor es construir la subrasante y el resto de la estructura del pavimento por encima de esta capa.

Si, por el contrario, la infiltracin es muy generalizada, son posibles dos soluciones:

siempre que el presupuesto lo permita, es aconsejable disponer una impermeabilizacin completa de la seccin, con el fin de aislar al trfico del agua. Esto puede lograrse mediante una combinacin de un geotextil, (normalmente con una lmina impermeable y otra filtrante), inyecciones en el terreno, e inyecciones entre el conjunto terreno-sostenimiento-revestimiento.

cuando la impermeabilizacin es una opcin de un coste demasiado elevado para la obra, debe construirse una capa drenante de capacidad suficiente para conducir el agua hasta un dren lateral.

Si no se impermeabiliza el tnel en su totalidad el agua infiltrada en clave y hombros puede gotear (o, lo que resulta ya inaceptable, chorrear) sobre la calzada. En estos casos es muy recomendable colocar geotextiles que conduzcan el agua a la calzada, y sumideros para llevar el agua fuera de la seccin de firme tan pronto como sea posible. Hay que examinar seriamente el funcionamiento de un firme mojado durante todo (o casi todo) el ao, la incidencia de este hecho en la seguridad vial. Tenga presente el lector que la seguridad en la que es efectivo invertir en, sobre todo, la primaria, que conduce a evitar los accidentes o a disminuir el riesgo de que ocurran.

En condiciones climticas extremas, con temperaturas muy bajas, pueden producirse adems heladas. Esto ocurre, por ejemplo, en Noruega, pero no es de inters especial ni en Espaa ni en Venezuela.

La figura 6 muestra el detalle lateral de la capa drenante para tneles en roca con afluencia moderada de agua. Si la longitud de surgencia es importante, o lo es el caudal infiltrado, es importante disponer un colector de dimetro importante, superior


a 0,50 m, para aumentar la capacidad de desage sin un aumento apreciable del coste.

Figura 6. Seccin de tnel con una galera inferior

El fracaso en la gestin del agua afecta de forma importante al pavimento, tanto en el deterioro de los materiales como en su respuesta a las cargas.

7. LAS OPERACIONES DE CONSERVACIN Y REHABILITACIN

Es preciso clasificar las operaciones de conservacin y rehabiitacin en funcin de cuatro criterios:

tipo de pavimento

frecuencia necesaria de la operacin

duracin de la operacin en el tnel (ya sea en caso de una actuacin puntual o en todo el tnel), en das o en jornadas de trabajo


afeccin a la seccin de la restriccin necesaria de la circulacin, contando el margen lateral deseable de seguridad.

Ya puede apreciarse que las restricciones de seccin (con una duracin total correspondiente al tercer punto citado) suelen obligar a usar el arcn en tneles nicos bidireccionales en los que no sea aconsejable el corte total del tnel.

Tambin debe tenerse en cuenta que el refuerzo de pavimentos no puede abordarse desde la superposicin de capas nuevas, porque afecta al glibo libre.

8. PECULIARIDADES DEL DIMENSIONAMIENTO

El dimensionamiento de pavimentos en tneles debe seguir el mismo proceso que en el resto de la carretera, una vez se haya decidido el tipo de pavimento que se dispone en el tnel y fuera del mismo. La situacin de incendio no interviene, pues, en el dimensionamiento del pavimento, aunque puede incidir en la eleccin del tipo de pavimento.

Tanto la calidad de la explanada como la intensidad de trfico pesado son iguales en el tnel y fuera. Sin embargo, las condiciones ambientales s difieren. En un tnel que no sea profundo las oscilaciones trmicas son mensuales y no diarias, y las diferencias entre los valores mximo y mnimo son mucho menores. Prcticamente puede descartarse la fatiga trmica, as como el envejecimiento de los betunes por razones trmicas.

En tneles profundos, como los tneles de base, la temperatura ambiente es elevada, lo que debe tenerse en cuenta. La regla geotrmica de un grado cada 33 m es demasiado basta, y suele ser imprecisa en tneles de carretera o ferrocarril, pero s hay casos con temperaturas superiores a 35 durante toda la vida del pavimento.

La segunda circunstancia caracterstica ya ha sido comentada, y es la duracin de la afeccin del agua que puede saturar capas de pavimento. En tneles los materiales pueden estar saturados durante meses o aos, lo que puede afectar a la adhesividad rido-ligante, por ejemplo.

La tercera circunstancia que afecta al dimensionamiento es la frecuente imposibilidad de refuerzo mediante la adicin de capas, dada la afeccin al glibo.


9. ALGUNOS CASOS CLAROS

Ya se ha insistido en la dificultad de establecer reglas fijas de eleccin del tipo de pavimento. Mucho ms sencillo es citar casos generales con un primer resultado claro, si bien es preciso recalcar la responsabilidad de cada ingeniero que disea en su caso concreto, responsabilidad que no puede descargarse sobre autores o expertos que nunca han visto este caso concreto.

En un tnel corto (menos de 500 m) en una carretera de montaa bidireccional el pavimento ms eficaz suele ser el flexible o semiflexible, que puede adems reforzarse (si el galibo adoptado inicialmente tiene ese margen) a medida que el trfico crece.

Si la longitud de tnel es algo mayor (lo que suele ocurrir en carreteras de calzadas separadas) y la intensidad de trfico pesado es importante puede ser muy interesante construir un pavimento semirgido. En este pavimento la vida de las capas inferiores es muy elevada si la calidad del material y el espesor responden a los criterios usuales de dimensionamiento. Adems, es posible rehabilitar el pavimento mediante el fresado y reposicin de parte o toda la capa bituminosa.

En un tnel doble excavado con tuneladora, en mbitos urbanos y con una intensidad de circulacin muy elevada (incluso sin contar con los camiones) es difcil encontrar perodos adecuados para el corte de uno de los tneles. En este caso es muy interesante la opcin por una solucin de mantenimiento cero, meta que so ben no es alcanzable si puede aproximarse. Adems, ya se ha mencionado el elevado coste del espacio, que anima a disminuir los cantos. Por tanto, la solucin ms adecuada es el pavimento de hormign amado continuo, de manera que existan tramos muy largos sin juntas. Este tipo de pavimento puede no tener juntas salvo en el contacto con las estructuras, y en un tnel como el mencionado puede ser aconsejable disponer algunas juntas adicionales.

Un tnel con contrabveda tiene una solucin clara, mientras que no sea de una longitud muy importante (ms de 10 km de calzada en tnel), y cuando el pavimento tiene una rodadura bituminosa fuera del tnel, una solucin clara es un pavimento inverso o semirrgido, aprovechando el relleno con hormign pobre como subrasante, y un espesor del orden del medio metro superior del relleno se construye con suelocemento y gravacemento.

A modo de conclusiones sirvan estos prrafos que resumen algunas opiniones personales y criterios desarrollados a lo largo de ms de quince aos de ejercicio profesional. Quede al mismo tiempo claro que deben ser revisados en funcin de la


cultura tcnica local, de los criterios disponibles (una buena fuente es la AIPCR), las caractersticas del trfico ligero pesado, el anlisis de riesgos de incendio y el terreno cruzado.

En mi opinin, un criterio fundamental es el pavimento fuera del tnel, y el menor procedimiento es elegir el tipo de pavimento teniendo en cuenta todo el eje: la va en desmonte y relleno, las tneles y las estructuras. Se consigue una ingeniera ms eficaz cuando se consideran todos los factores, siempre que se asigne a cada factor un peso adecuado.

La mayora de los tneles del mundo tienen pavimentos semiflexibles o flexibles. Crece el uso de pavimentos rgidos debido a la presin de la disminucin del mantenimiento y al estado de alarma social existente frente a los incendios en tneles y la posible contribucin de los materiales bituminosos a la carga de fuego y a los componentes del humo. Los pavimentos rgidos deben ser armados continuos, para evitar la presencia de juntas y fenmenos como el escalonamiento de losas o el bombeo de finos. Esta solucin se justifica nicamente para trficos muy intensos, en IMD total o en vehculos pesados, cuando (si la solucin de pavimento exterior es diferente) las longitudes de tnel son superiores a los 6 a 10 km.

A continuacin se incluyen algunas fotografas que recogen el aspecto de diversos tneles.

10. BIBLIOGRAFA

[1] AIPCR (1999) Fire and Smoke Control in Road Tunnels

[2] AIPCR (1996) Road Safety in Tunnels

[3] AIPCR (1999) Classification of Tunnels. Existing Guidelines and Experiences.

[4] ASOCIACIN ESPAOLA DE LA CARRETERA Capas de base para firme V Congreso Nacional de Firmes, Espaa.

[5] EIRUM, R. Pavement Design for Road Tunnels , NFF, Noruega

[6] KRAEMER, C. Et al. (2004) "Ingeniera de Carreteras Tomo II ". Coleccin Escuelas. McGraw-Hill, Madrid, Espaa.


[7] MINISTERIO DE FOMENTO (2001) Orden Circular Riegos auxiliares, mezclas bituminosas y pavimentos de hormign. Direccin General de Carreteras, Madrid, Espaa.

[8] MINISTERIO DE FOMENTO (2003) Norma 6.1 IC de Secciones de Firme Boletn Oficial del Estado de Espaa, nmero 297, 13 de diciembre de 2003.

[9] GRATA, J. (2004) Contractor set to fix Squirrel Hill Tunnel repaving job. Pittsburgh Post-Gazette, 2 de septiembre de 2004

[10] SCHREFLER, B.A: et al. (2002) Concrete at high temperature with application to tunnel fire. Computational Mechanics nmero 29 , pp. 4351, Springer-Verlag.

[11] TRANSPORTATION RESEARCH BOARD (2000): " Highway Capacity Manual". TRB, National Research Council, Washington, D.C.


Figura 7. Tnel de Malmasn (Espaa) con pavimento bituminoso semiflexible

Figura 8. Tnel en Holanda con pavimento de hormign


Figura 9. Tnel en Guadalajara (Espaa) con pavimento flexible

Figura 10. Tnel en Guipzcoa (Espaa) con pavimento semiflexible


Figura 11. Tnel en la M-40 en Madrid (Espaa) con pavimen o semiflexible t

Figura 12. Tnel 2 de Guadarrama (Espaa) con pavimento semiflexible

IntroduccinTipos de pavimentoClasificacin de tnelesClasificacin de la UE

factores de eleccin del tipo de pavimentoCaractersticas de los tnelesCaractersticas del pavimento

La constitucin de la subrasanteIntroduccinTneles en roca buenaTneles en suelos sin empujes ni hinchamientoTneles con contrabveda \(en rocas o suelos\Tneles ejecutados con tuneladoraTneles con una galera inferior

El agua en el tnelLas operaciones de conservacin y rehabilitacinPeculiaridades del dimensionamientoAlgunos casos clarosBibliografa

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