TENDENCIAS DEL HORMIGÓN PROYECTADO

EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES

Luis Agulló, Antonio Aguado, Alejandro Josa y Ravindra Gettu Dres. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Barcelona Universidad Politécnica de Cataluña

RESUMEN En este artículo se incide sobre distintas facetas de la utilización del hormigón proyectado en la construcción de túneles. En primer lugar, se exponen, a modo de introducción, conceptos generales en relación al material y a la puesta en obra mediante proyección, incidiendo en los aspectos diferenciadores entre la vía seca y la vía húmeda como sistemas básicos de proyección. Seguidamente se abordan temas relativos a la interacción entre el terreno y el material dentro del ámbito específico de los túneles, haciendo énfasis en las funciones asignadas al hormigón y, particularmente las relativas al sostenimiento. En un tercer bloque se refieren los principales aspectos relativos a la utilización del hormigón proyectado por vía húmeda en la construcción de túneles, así como otros relativos a la evolución de este material y de las funciones asignadas al mismo en el contexto de estos procesos constructivos. Finalmente, en un último bloque, se aborda la temática concerniente al control en este tipo de construcciones, tanto desde la vertiente del material como del proceso de ejecución.

1.- INTRODUCCIÓN En el ámbito de las obras de infraestructuras viarias son numerosos y variados los tipos de estructuras presentes, que se materializan utilizando el hormigón como material estructural y, entre éstos, el túnel. Este tipo de estructura, ya sea en su vertiente para ferrocarril (en sus diferentes variantes) o para carretera, se está abriendo camino en esta parte final del siglo, no sólo porque resuelve los problemas planteados por las características orográficas de nuestro territorio, sino favorecido por una creciente sensibilidad medioambiental y unas mejores circunstancias económicas. Dentro de este tipo de estructuras, el hormigón se ha empleado en las diferentes funciones de sostenimiento, revestimiento y acabado, tanto en hormigón moldeado como en hormigón proyectado. En esta aplicación, se ha ido evolucionando en esta última década de la vía seca mayoritaria en el inicio, a la vía húmeda, utilizada hoy en día con gran profusión. En este cambio han influido razones ambientales, laborales económicas y técnicas. El presente articulo tiene por objeto mostrar la evolución seguida y los factores técnicos que la han hecho posible, incidiendo hasta los temas de control. Asimismo, se presenta las bases de partida y los aspectos de interacción del terreno con el hormigón proyectado. El hormigón proyectado por vía húmeda es también usual en otros tipos de construcciones asociadas a obras lineales, como son, entre otras, la estabilización de taludes o la reparación de canales, que aunque aporten unos condicionantes algo diferentes, si abren un abanico amplio de campos de aplicación, así como nuevos retos tecnológicos. 2.- EL HORMIGÓN PROYECTADO 2.1.- Aspectos generales En el contexto del proceso constructivo de obras de hormigón, la proyección del material sobre una superficie a alta velocidad constituye una técnica de puesta en obra interesante desde el punto de vista productivo ya que reúne dos etapas del proceso (colocación y compactación) en una misma acción constituida por la proyección. En la proyección, el material se introduce en un equipo de proyectar, que lo impulsa a gran velocidad a través de una manguera hasta la boquilla de proyección. El control de la boquilla puede hacerse manualmente, mediante un operador que la sostiene, o bien de forma mecánica mediante un robot de proyección controlado a distancia por un operador. El material proyectado (mortero u hormigón) puede aplicarse sobre cualquier superficie e inclinación de la misma, si bien, parte de dicho material rebota al no adherirse a aquélla. Este material rebotado constituye una característica intrínseca asociada a esta técnica, que tiene incidencia tanto en las propiedades del material colocado como en los aspectos económicos asociados al mismo. La economía en ese rebote constituye, en consecuencia, una de las prioridades en la aplicación.

Por otra parte, al proyectar contra superficies inclinadas (no horizontales) el peso propio del material fresco puede ser mayor que las fuerzas de adherencia entre el material y el soporte y, en consecuencia, desprenderse del mismo, lo que conduce a limitar el peso propio y se traduce en limitaciones respecto al espesor de la capa a hormigonar; esto es, para espesores de elementos significativos (superiores, como orden de magnitud, a 10 cm) deben realizarse distintas capas. Ello implica que a medida que aumentan los espesores, el rendimiento que puede alcanzarse con esta técnica disminuye y, en consecuencia, verse limitado su campo de aplicación. La proyección del hormigón se realiza, básicamente, mediante dos técnicas denominadas: vía seca y vía húmeda, las cuales dan lugar a hormigones proyectados de características diferentes. 2.2.- Vía seca versus vía húmeda Las diferencias entre un hormigón proyectado por vía seca y por vía húmeda no tan sólo son resultado de un sistema de proyección sino que los hormigones resultantes son dos materiales diferentes. La elección de uno u otro tipo de hormigón asociado a una vía de proyección es función de diferentes factores, algunos de los cuales se reseñan a continuación. Ø Características físicas, químicas y mecánicas del hormigón requerido. En

condiciones análogas se puede alcanzar mejores prestaciones con la vía húmeda, ya que usualmente introduce menos aire por las diferencias del sistema de transporte.

Ø Características de producción. La vía seca es más versátil, mientras que la vía

húmeda requiere grandes tajos bien organizados para alcanzar altos rendimientos. Ahora bien la aparición de los inhibidores de fraguado en el hormigón han contribuido de forma notable a flexibilizar la vía húmeda.

Ø Características de la obra (elemento lineal o no, superficie a proyectar, geometría del

elemento, otros). En especial en túneles, si se quiere mantener condiciones de producción con altos rendimientos, hay que emplear robots, lo que facilita el acceso a la vía húmeda.

Ø Características de la empresa. Una empresa pequeña poco especializada tiende hacia

la vía seca, mientras que en caso contrario tendería hacia la vía húmeda, en la cual los equipos son más caros y voluminosos que en vía seca. No obstante, en este planteamiento hay que tener en cuenta el factor humano (inercia del usuario en la utilización de una vía), que puede cambiar el mismo.

Ø Características medio-ambientales. Las crecientes exigencias respecto al contenido

de polvo emitido en el entorno de las obras con hormigón proyectado, y particularmente las ubicadas en entornos subterráneos como es el caso de los túneles, propician la adopción de procesos constructivos que disminuyan este contenido. En este sentido, una solución posible es la adopción de la proyección por vía húmeda.

En España, con frecuencia, las aplicaciones de hormigón proyectado, han tenido bajos niveles de exigencia desde el punto de vista estructural (piscinas, protecciones de

terrenos, etc, lo que ha influido en la potenciación de la vía seca. No obstante, las cada vez mayores prestaciones que se le requieren al hormigón proyectado como material con función estructural, la posibilidad de obtener elevados rendimientos en procesos de proyección robotizada junto a las ventajas de carácter medioambiental, hacen que las tendencias actuales en la construcción de túneles apunten hacia el empleo del hormigón proyectado por vía húmeda frente a la vía seca. De este movimiento hay que reseñar la importante labor realizada por GISA a través de D. Xavier Borras como impulsor de la vía húmeda en los túneles de las obras del eje transversal de Cataluña. Para hacerlo posible, se introdujeron en los pliegos de prescripciones técnicas las condiciones para hacerlo posible, previamente estudiadas en laboratorio (Aguado et al, 1992). A pesar de las reticencias iniciales de los usuarios al cambio de vía, los buenos resultados que se obtuvieron han sido motor de cambio de la situación, estando muy extendida hoy en día la vía húmeda en todo el ámbito nacional. 3.- INTERACCIÓN CON EL TERRENO 3.1.- Introducción. Funciones del sostenimiento de un túnel Salvo en casos específicos (túneles en rocas de muy buenas características mecánicas; condiciones de acceso de agua compatibles con el uso del túnel; etc.), será siempre necesario colocar en la superficie de excavación del túnel una estructura de contención perimetral, o sostenimiento, que asegure un comportamiento correcto del mismo tanto en condiciones de servicio como en condiciones de rotura. En general, el sostenimiento de un túnel cumplirá alguna o algunas de las funciones siguientes: a) Mantenimiento de la sección transversal de la excavación evitando su colapso o la

eventual caída de cuñas de terreno generadas por descompresión o por su propio estado natural, y disminuyendo los corrimientos radiales inducidos por la variación del estado tensional en el terreno. En este sentido cabe indicar que cuando se excava un túnel, disminuyen las tensiones radiales en el perímetro del mismo (hasta anularse en el caso de no colocar ningún tipo de sostenimiento), lo que produce un cambio en el estado tensional que puede llevar a rotura al terreno cercano a la excavación, como después se explica en mayor detalle, y a las consecuentes deformaciones en su perímetro. El sostenimiento, en caso de colocarse, interacciona con el terreno produciendo, idealmente en un túnel circular en terreno homogéneo e isótropo, una tensión radial, y disminuyendo estos efectos.

b) Drenaje y conducción de agua del terreno. Este drenaje podrá ser necesario por cuestiones funcionales (uso del túnel incompatible con el acceso de agua que se produce) y tendrá también efectos sobre las tensiones si se modifican las presiones intersticiales y, consecuentemente las efectivas, en el terreno.

c) Otras funciones de diferente tipo como las siguientes: - Protección del terreno contra la meteorización. - Modificación del aspecto de la excavación (mejora estética).

- Variación de las propiedades superficiales del túnel (por ejemplo, superficie más uniforme y lisa para reducir las pérdidas de carga en galerías de presión o en sistemas de conducción de agua o de aire).

- Incorporación de servicios o conducciones propios del túnel (drenaje, sistemas de socorro) o externos (líneas de comunicaciones, etc.).

3.2.- Interacción túnel-terreno. Curvas características de túneles Para analizar y entender con más facilidad de qué factores del sostenimiento depende la magnitud de la interacción que se produce entre el sostenimiento de un túnel y el terreno, se emplea el concepto de curva característica del túnel. Si en un terreno sometido a un determinado estado tensional se excava un túnel, el perímetro del mismo sufrirá un corrimiento aproximadamente radial producido por la descompresión del terreno. Si en el túnel se construye un sostenimiento, éste se opondrá a dicho corrimiento, entrando en carga, y produciendo en el terreno una tensión aproximadamente radial. Dependiendo de la magnitud final de esta tensión, el corrimiento del perímetro de la excavación variará, de forma que cuanto mayor sea la tensión (en el límite, igual a la que había en el terreno antes de la excavación) menor será el corrimiento producido (en el límite cero), y viceversa. La figura 1 muestra este comportamiento (curva característica del túnel) para un punto específico del perímetro. El punto inicial (corrimiento cero) corresponde al caso de tensión igual a la que inicialmente había in situ. Si la tensión que genera el sostenimiento es muy alta, la descompresión del terreno será pequeña, y su comportamiento se mantendrá probablemente dentro del rango elástico. Figura 1. Curva característica de un punto de la excavación, y curvas de confinamiento de diferentes sostenimientos del túnel. Sin embargo, si la tensión generada es pequeña, el comportamiento del terreno en una cierta corona alrededor de la excavación pasará al régimen elasto-plástico, con la consecuente degradación del material y aumento de deformaciones. Por esta razón, la curva característica del túnel no será lineal para tensiones inferiores a un cierto valor en

Tensión terreno-

sostenimiento

A: Sostenimiento más rígido e instalado antes. B: Sostenimiento más flexible e instalado más tarde. σ: Tensión terreno-sostenimiento producida en cada caso.

Corrimiento radial en la excavación

Curva característica del túnel

Curvas de confinamiento del sostenimiento

A

B

σ

σ

Tensión in situ del terreno antes de la excavación

Corrimiento radial en el momento de instalación de cada sostenimiento

el que se inicia la plastificación del terreno. Por otro lado, si la cavidad puede ser estable sin sostenimiento (aunque pueden haber situaciones locales de inestabilidad), la curva característica cortará al eje de abscisas (tensión nula). La forma específica de la curva característica de un punto del perfil de excavación dependerá de las características tenso-deformacionales y de rotura del terreno (Hoek y Brown, 1980; Espàrrec, 1999). Por su parte, el comportamiento del sostenimiento podrá representarse también en la figura citada mediante la curva de confinamiento. A medida que la tensión aumente, el sostenimiento sufrirá un corrimiento aproximadamente radial partiendo de cero, que corresponde al momento de instalación. Si el comportamiento del material del sostenimiento es lineal, la relación tensión-corrimiento también lo será. Este es el caso del acero, la madera, etc. Sin embargo, puede ocurrir que esta relación no pueda considerarse exactamente lineal si, por ejemplo, se coloca hormigón fresco, cuyo módulo de elasticidad aumentará a medida que endurezca. En este caso la curva de confinamiento será más horizontal inicialmente y más vertical al final. Por otro lado, en el caso de instalar un recrecido, con el consecuente aumento de la rigidez del sostenimiento, la curva de confinamiento presentará un quiebro. Debe destacarse que la curva de confinamiento no comenzará en el punto correspondiente a corrimiento cero del terreno, tal y como puede observarse en la figura 1. Esto es debido a dos razones diferentes. En primer lugar, cuando la excavación del túnel llega al punto, específico o genérico, que se está analizando, los puntos del perímetro de la excavación habrán sufrido ya un corrimiento debido a la descompresión producida por la excavación antes de llegar a él (ver figura 2). Esto significa que, por rápido que se instale el sostenimiento, siempre se habrá producido ya una descompresión y corrimiento en el terreno. En segundo lugar, una vez la excavación ha llegado al punto de análisis, la deformación de la roca se produce progresivamente, tanto al ir avanzando el frente como por posibles fenómenos de fluencia, hasta que el sostenimiento del túnel se instala y entra en carga. Por ello, la curva de confinamiento del sostenimiento comenzará en un punto específico en el que el corrimiento radial no será nulo. Figura 2. Corrimientos producidos por la excavación del túnel antes y después de la llegada del frente y antes de la instalación del sostenimiento. Cuanto más rígido es el sostenimiento y antes se instala y entra en carga, menores son los corrimientos finales en el terreno y mayor la tensión y la resistencia requerida en él, y viceversa. De esta forma, en un túnel urbano, en el que es habitualmente crítico evitar (o reducir) asientos en superficie, y el terreno no está en general sometido a altas

Instalación del sostenimiento

Frente de excavación Sostenimiento

Tensión terreno-sostenimiento

Corrimientos radiales debidos a la excavación

Corrimientos radiales antes de l a excavación

Corrimientos radiales tras la excavación

tensiones in situ al no haber grandes coberturas, interesará que el sostenimiento, en caso de ser necesario, se instale lo antes posible y sea suficientemente rígido. La variedad de situaciones que se pueden dar en este caso es muy alta. Desde túneles a una cierta profundidad en roca de muy buena calidad que pueden no necesitar sostenimiento, hasta túneles más someros en suelos blandos, que requerirán procedimientos de ejecución específicos y cuidadosos (escudos, mejora del terreno, etc.). Por su parte, en un túnel profundo en el que las tensiones in situ sean muy altas, se deberá optimizar el coste del sostenimiento (compromiso entre los corrimientos y degradación del terreno, y el estado tensional producido). 3.3.- El hormigón proyectado para el sostenimiento de túneles La utilización de hormigón proyectado como material para el sostenimiento, provisional o definitivo, de un túnel, es cada vez mayor. En ello influye, entre otros factores, la gran flexibilidad en su instalación (rapidez), el perfecto ajuste al perfil de la excavación o la posibilidad de recrecido. Las primeras aplicaciones de este material en obras subterráneas datan de principios de siglo en galerías mineras en Estados Unidos y Alemania, aunque no es hasta mediados de siglo en que se utiliza como revestimiento estructural definitivo (Jiménez Salas, 1980). Los parámetros del hormigón más relevantes en este caso en relación con la interacción con el terreno se pueden resumir en los siguientes puntos: a) Resistencias mecánicas suficientes de acuerdo con el estado tensional producido que

depende esencialmente de la deformabilidad del sostenimiento y del momento de instalación en relación con la curva característica del terreno. Cuanto mayor sea la rigidez y antes sea la instalación, mayor será el estado tensional producido y la resistencia requerida. También es importante la evolución de la rigidez, interesando, en general, que sea lo más rápida posible para que entre en carga el sistema y se limiten los corrimientos y la degradación del terreno. El hormigón proyectado puede alcanzar hoy en día altas resistencias mecánicas en horas o en días que pueden ser suficientes para los requisitos que se exigen.

b) Deformabilidad apropiada, que vendrá condicionada tanto por el módulo de

elasticidad del material como por la sección estructural (espesor) del sostenimiento. El módulo de elasticidad del material, en este caso el hormigón proyectado, irá aumentando a medida que endurezca, hasta alcanzar valores comparables a los de rocas de buena calidad. Aunque el módulo variará según la composición del hormigón, su rango con dosificaciones habituales no será muy amplio. Por su parte, la sección estructural sí permitirá una variación importante de la deformabilidad del sostenimiento. Como se ha indicado, la deformabilidad del sostenimiento es importante en relación con el estado tensional finalmente producido en él.

c) Composición del hormigón, con influencia directa en diferentes aspectos desde los

relativos a la puesta en obra como los de durabilidad, por ejemplo, en terrenos químicamente agresivos como yesos, o granitos con contenido de pirita, o con aguas agresivas (sulfatadas, otras) es necesario asegurar una buena compacidad del hormigón y/o utilizar cementos químicamente resistentes (en general con bajo contenido de aluminato tricálcico).

Respecto al terreno, se puede hacer referencia a los siguientes aspectos: a) Características de dureza del material de soporte, las cuales influyen en el rebote,

aumentando éste con el aumento de la dureza. Otros aspectos del soporte como es la textura pueden asimismo tener una influencia, si bien menor, al incidir en las condiciones adherentes.

b) Polvo superficial. Según el tipo de terreno (resistencia de la matriz), de las

condiciones hidrológicas y del procedimiento constructivo, la superficie de la excavación acumulará mayor o menor cantidad de partículas finas. Así por ejemplo, una roca caliza llevará en principio a una mayor producción de partículas finas durante la ejecución que un macizo granítico. También influirá la propia textura y perfil de la excavación, que favorecerá o dificultará la acumulación de partículas finas; y la existencia o no de agua, que podrá arrastrarlas. La existencia de partículas finas disminuirá la adherencia con el hormigón y aumentará el rebote de material.

c) Agua en el terreno. Las condiciones hidrológicas tendrán también importancia ya que

la existencia de accesos de agua en la excavación disminuirá, como en los casos anteriores, la adherencia con el hormigón y aumentará el rebote. Sin embargo, una superficie demasiado seca tampoco será conveniente tanto por cuestiones de adherencia como por pérdida de humedad por parte del hormigón, por lo que en este caso podrá ser necesario humedecerla antes de iniciar la proyección del hormigón, lo cual no es interesante en un túnel.

d) Elementos sueltos. Dependiendo de nuevo del tipo de terreno podrán quedar,

especialmente en el caso de determinadas rocas y procedimientos constructivos, elementos sueltos trabados en el perfil de la excavación pero sin caer. Estos elementos pueden ser un problema tanto por cuestiones de disminución de adherencia y de rendimiento en la ejecución del hormigón proyectado, como por cuestiones de seguridad, ya que antes o durante la proyección del hormigón, dichos elementos pueden acabar cayendo. Por ello es interesante sanear, en la medida de lo posible, la superficie de la excavación, y macizarla. Para ello puede ser suficiente utilizar sistemas de aire a presión.

e) Tiempo de estabilidad de la excavación sin sostenimiento. El tiempo en el que la

excavación es estable sin sostenimiento, que dependerá del tipo de terreno existente y de las dimensiones de la excavación, será importante para determinar la rapidez con la que debe iniciarse la instalación del sostenimiento y la velocidad de endurecimiento del hormigón.

f) La curva característica real del túnel, dependiente de los parámetros resistentes y

deformacionales del terreno, juntamente con la deformabilidad del sostenimiento y el momento de su instalación, determinarán la resistencia característica requerida para el hormigón, tal como se ha mostrado en la figura 1.

g) Temperatura. Algunos terrenos pueden estar sometidos a temperaturas muy bajas, lo

cual puede afectar tanto al proceso de endurecimiento del hormigón, si las temperaturas son bajas durante la puesta en obra, como a las resistencias mecánicas del mismo, si el terreno en servicio, saturado de agua, se congela y comprime el sostenimiento.

Finalmente hay que indicar que el hormigón proyectado es adecuado en prácticamente todos los procedimientos habituales de construcción de túneles (inglés, austríaco, belga, alemán, etc.), y es particularmente útil y apropiado en el Nuevo Método Austríaco, en el que se intenta optimizar tenso-deformacionalmente el sistema terreno-sostenimiento para hacer estable la excavación (Jiménez Salas, 1980; Megaw y Barlett, 1985). En este último método son importantes las siguientes características del hormigón proyectado: • Facilidad de ejecución inmediatamente después de la excavación. • Adaptación completa al perfil de la excavación (sellado de fisuras; protección contra

la meteorización). • Posibilidad de ejecutarlo en espesores reducidos o grandes (diferente deformabilidad

y resistencia), y de recrecerlo. • Posibilidad de conseguir altas resistencias iniciales. • Fácil combinación con otros sistemas de sostenimiento (cerchas metálicas, bulones). 4.- HORMIGÓN PROYECTADO POR VÍA HÚMEDA 4.1.- Características generales y componentes El hormigón proyectado por vía húmeda, tal como se ha expuesto anteriormente, constituye un material cuyas prestaciones, tanto en estado fresco como en estado endurecido, están indivisiblemente unidas al proceso de proyección, el cual se caracteriza, a grandes rasgos, por el transporte del material en fresco hasta la boquilla de proyección desde la cual se proyecta sobre la superficie a hormigonar. Este proceso requiere un material en fresco con elevada fluidez y alta cohesión para posibilitar su transporte hasta la boquilla sin que se presente segregación de los materiales componentes del hormigón. La principal singularidad de este material, asociada a su puesta en obra por proyección, radica en el inevitable rebote de parte del hormigón (principalmente áridos gruesos y mortero adherido a los mismos) como consecuencia del propio proceso de ejecución. Este rebote depende de numerosos factores que implican a la naturaleza y proporciones de los materiales componentes del hormigón, a los equipos de proyección utilizados y a variables asociadas al proceso de ejecución (p.e., entre otras, distancia y ángulo de proyección, tipo de superficie sobre la cual se proyecta); si bien existe gran dispersión en la literatura científica y técnica respecto a la cuantificación del rebote, éste puede situarse, dependiendo de los diversos factores anteriormente mencionados, entre un 10% y un 35% del material proyectado. Ello tiene una notable significación tanto desde el punto de vista técnico en cuanto a las prestaciones del material endurecido, como asimismo en los aspectos económicos y medioambientales asociados al material rechazado. Por otra parte, las exigencias actuales relativas a las cada vez mayores prestaciones que se requieren al hormigón y la necesidad de aumentar los rendimientos motivan la

presencia de nuevos componentes en el hormigón proyectado que suponen una sustancial modificación de los conceptos clásicos asociados al hormigón proyectado por vía húmeda y en particular en aquéllos que inciden en la trabajabilidad o docilidad necesaria impuesta por el propio proceso de proyección. En este sentido, los conceptos de fluidez y cohesión de la mezcla en fresco prevalecen sobre otros planteamientos clásicos extrapolados del hormigón convencional en donde la trabajabilidad se rige, fundamentalmente, por la relación agua-cemento del hormigón. Los nuevos componentes que más han contribuido a esta evolución son: Ø Humo de sílice: El cual se ha incorporado en aras a, por un lado, mejorar la

trabajabilidad en el bombeo y, por otro lado, con el fin de aumentar la capacidad mecánica y de durabilidad de estos hormigones en estado endurecido y la cohesión interna en estado fresco.

Ø Fibras de acero: Como elemento sustitutivo de la malla (función características del

terreno), para aumentar la tenacidad, resistencia al corte y aumento de los rendimientos productivos.

Ø Aditivos químicos de distinto tipo: Los superplastificantes como complemento de

otros materiales en aras a mejorar la trabajabilidad. Los inhibidores como elemento que a través de un control de las cinéticas de fraguado permiten una gran flexibilidad productiva.

Por último, dadas las tradicionales dificultades curado en túneles (el agua hace impracticable la obra con bajas de rendimientos, los plásticos de cobertura inciden asimismo en mermas del rendimiento y, por último, los líquidos de curado pueden tener dificultades tanto económicas como medioambientales. Por ello, esta vía es una de las de progreso futuro dentro del campo de los túneles. 4.2.- Dosificación La consecución de un hormigón proyectado capaz de satisfacer las prestaciones requeridas, tanto técnicas como económicas, debe contemplar las proporciones óptimas de la mezcla asociadas a la tecnología empleada para la proyección, y en particular aquéllas que conciernen al comportamiento en fresco de la mezcla, en el sentido de posibilitar un transporte adecuado hasta la boquilla y permitir una proyección minimizando la cantidad de material rechazado. Para ello, un aspecto primordial es la determinación de las proporciones adecuadas de los materiales componentes al objeto de optimizar el proceso. En este contexto, para dosificar un hormigón proyectado por vía húmeda existen distintos procedimientos, aunque ninguno de ellos esté universalmente asumido, fundamentándose la mayoría de ellos en aspectos empíricos. En general, en estos procedimientos el esqueleto granular del hormigón se ajusta a husos granulométricos estandarizados adaptados para la proyección y la cantidad de cemento se fija, fundamentalmente bajo criterios empíricos, en función de la resistencia a compresión del hormigón; las cantidades de cemento resultante son siempre superiores a las que corresponderían a un hormigón convencional de igual resistencia.

En la tabla 1 se exponen las referencias de algunos de los métodos de dosificación contemplados en diferentes normativas y recomendaciones más usuales en el ámbito nacional e internacional, así como las variables principales que se consideran en los mismos, pudiéndose ver una descripción detallada de los mismos en Rodríguez (1997).

Variables principales ACI 1985

CS 1980

AFTES 1981

AENOR 1994

EFNARC 1996

JSCE 1986

ASCE 1995

- Relación agua/cemento - Cantidad cemento - Consistencia - Contenido finos - Curva granulométrica - Cemento/árido fino - Cemento/árido total - Módulo finura árido fino - Humedad árido fino - Árido fino/árido total - Tamaño máximo árido - Contenido acelerante - Cantidad microsílice - H. colocado/ H. de partida

x x x - x x - - - - x x - -

x - - - - - x - x - x - - -

- x - x x - - - x - x - - -

x x - x x x - x - - x x x x

- x - - x - - - x - x x x -

x x - - - - - x - x x x - -

x x x - x - - - - - x - x -

Tabla 1.- Procedimientos de dosificación contemplados en distintas normativas Un primer paso hacia un método de dosificación que contemple, desde su concepción, la singularidad del hormigón proyectado como material asociado al proceso de proyección, es la propuesta metodológica para la dosificación del hormigón proyectado desarrollada por Rodríguez (1997). Esta propuesta recoge el hecho conocido que dentro de la tecnología de la proyección como sistema de puesta en obra y compactación se presentan notables diferencias entre el hormigón de partida y el hormigón colocado en el soporte. Ello responde, fundamentalmente, a que en la proyección se modifica la composición del hormigón como consecuencia del rebote y de la propia incorporación de aire como sistema de transporte y proyección. La propuesta metodológica parte de este principio y así, considera que las características del hormigón colocado serán las correspondientes al hormigón de partida, modificadas por la colocación, de acuerdo con la expresión: Hormigón colocado = Hormigón de partida + Variación por la colocación En esta expresión las características del hormigón colocado son un dato que debemos situar en proyecto; esto es, un dato de partida en aras de cumplir los requisitos necesarios para la aplicación estructural en estudio. En la citada expresión, en el caso de que se tenga evaluada la influencia de la puesta en obra por proyección, lo cual representa conocer la variación de las características por la colocación, es posible obtener las características del hormigón de partida a través de la siguiente relación: Hormigón de partida = Hormigón colocado - Variación por la colocación

Este planteamiento, puede concretarse en las diferentes prestaciones que requiramos al hormigón colocado, que se reflejarán, consecuentemente, en el hormigón de partida. Así, se pretende obtener la dosificación de partida del hormigón a través de la dosificación del colocado y teniendo en cuenta las variaciones que introduce la proyección. La propuesta se articula en torno a tres fases o etapas principales. La primera, relativa a los coeficientes de rebote, intenta evaluar las modificaciones que introduce el sistema de puesta en obra por proyección en la composición del hormigón; la segunda, relativa al hormigón colocado, tiene en cuenta las prestaciones requeridas al hormigón colocado, las cuales pueden ser de tipo mecánico (fundamentalmente, resistencias a distintas edades) o de otro tipo como puede ser la durabilidad. Finalmente, en la tercera etapa se determina la composición del hormigón de partida, que será el dato de entrada en la fabricación del hormigón. Otros aspectos más detallados relativos a los fundamentos y a la implementación práctica de esta propuesta metodológica están recogidos en los trabajos de Rodriguez (1997). 5.- EVOLUCIÓN DEL HORMIGÓN PROYECTADO EN TÚNELES Para mostrar las dificultades de dosificar estos hormigones y al mismo tiempo ver la experiencia en diferentes túneles del ámbito internacional, en la tabla 2 se presentan diferentes dosificaciones de hormigones proyectados por vía húmeda. En ella puede apreciarse que la relación agua/cemento se sitúa, mayoritariamente, en el entorno de 0,4 a 0,45

Materiales componentes (kg/m3) Autores Agua Cement

o Por-tland I

Árido Fino 0-5 mm

Ärido Grueso

5-12 mm

Mirco-sílice

Fibras Acero

Plas-tifi-

cante

Super-plasti-ficante

Beaupré, et al. (1993) 162 453 1192 476(4) 54 -- -- 15 Beaupré, et al. (1994) 162 435 1153 445(4) -- -- -- -- Morgan (1992) 170 400 1260 460(4) -- -- 2,0 -- Morgan (1992) 177 350 1215 485(4) 47 -- 2,0 6 Morgan (1991) 180 420 1120 480(4) 40 60 2,0 6 Davik, et al. (1996) 220 440 1545(3) -- 35 -- 4,0 4 Rekness, et al. (1996) 234 500 1168(1) 390(2) 30 50 4,0 9 Holtmon, et al. (1996) 230 475 1500 -- 33 45 2,5 4 Melbye (1993) 207 480 1550(3) -- 38 50 3,5 5 Ghio (1993) 178 356 1191 551 62(6) -- -- -- Singh, et al. (1976) 200 500 1142 654 -- -- -- -- Wood, et al. (1993) 196 450 977 609(4) 30 60 1 -- (1):0-4 mm (2): 4-8 mm (3): 0-8 mm (4): 5-10 mm (5): 5-15 mm (6): ceniza volante Tabla 2.- Dosificaciones de hormigón proyectado por vía húmeda A manera de ejemplo de esta evolución en el ámbito nacional, dentro de los túneles de carretera, en los de Belate y de Somport (Hurtado, 1996), la resistencia a compresión a 28 días era del entorno de 32,5 Mpa, con una relación agua/cemento de 0,5 y relación arena(0-5 mm)/gravilla (5-12 mm) de 1,4 para el túnel de Belate y de 3,5 para el túnel de Somport, empleando en ambos casos superplastificante y acelerantes.

En las líneas de ferrocarril de alta velocidad actualmente en desarrollo en España, se está empleando el hormigón proyectado para la fase de sostenimiento, ya que para la etapa de revestimiento se opta por el hormigón moldeado. Ello responde a la necesidad de buscar unas superficies lisas por razones de funcionalidad ante la penetración dinámicas del tren. Los sostenimientos utilizados en la construcción de la línea Madrid-Barcelona varían en función de la clasificación geomecánica de las distintas formaciones y litologías atravesadas. Estos sostenimientos combinan, según el caso, bulones, cerchas, mallas electrosoldadas, espesores diferentes de hormigón proyectado. Respecto al tipo de hormigón las soluciones parecen diferentes, así en el tramo de Arcos de Jalón-Santa Mª de Huerta, emplearon un HP-250 en los diferentes tipos de sostenimiento (Pérez, 1999), mientras que en el túnel de “Las Hechiceras” (Moreno et al., 1999) emplearon un hormigón proyectado de protección HP-450 sulforresistente, por vía húmeda, con fibras metálicas con una dosificación de 45 kg/m3, capa de sellado de 5 cm, y después de colocar los bulones, con una densidad de 1 bulón/2m2, una segunda capa de hormigón de hasta 20 cm de espesor en función del sostenimiento requerido. En dicho túnel usaron dos robots de proyección Schwing TRS 30110. 6.- CONTROL Partiendo de una máxima de prevenir es mejor que curar, el planteamiento de control debe, para este tipo de estructuras y material insistir en la importancia de los estudios previos relativos tanto al material como a la puesta a punto del proceso. Esa mayor necesidad responde, por un lado, a las mayores exigencias estructurales (mecánicas y durabilidad) que se están pidiendo a este tipo de estructuras y, por otro lado, a que en la puesta en obra del hormigón existen variables que pueden presentar un rango de dispersión que las correspondientes a un hormigón moldeado. Hay que insistir en que las experiencias de una obra a otra, en este tipo de hormigones no son extrapolables directamente, tal como puede verse por la gran dispersión de dosificaciones de la tabla 2 antes citada. Estos estudios previos, deben desarrollarse parte en laboratorio y la parte principal en la obra. En los mismos debe analizarse la influencia de distintos factores que intervienen posteriormente en el proceso (por ejemplo: humedad de los áridos, eficacia de los aditivos, etc,). Con ello se pretende tener un criterio previamente establecido cara a tener capacidad de respuesta durante la ejecución de la obra, ante las posibles incidencias que surjan en las mismas. Deben hacerse previamente a entrar en el túnel, en otras obras secundarias en el entorno del mismo. Reducir o eliminar esta etapa, supone, en general, tener que cubrirla cuando se está en el túnel con los consiguientes posibles retrasos y otros problemas asociados. Una vez realizados los estudios previos en condiciones de obra, si bien antes del desarrollo sistemático de los trabajos, se propone realizar distintos estudios de caracterización. Estos tienen por objeto fijar una situación inicial que sirva de referencia o patrón ante posibles modificaciones posteriores en los componentes, dosificación y ejecución. El valor de esta caracterización inicial tiene un gran interés frente a la contrastación posterior de cualquier variable. Prestaciones iguales o

superiores deben representar la aprobación de los cambios que puedan suscitarse durante la construcción, mientras que prestaciones inferiores no deben, en principio ser aceptadas. En el caso de túneles, dentro de estos estudios previos, aparte de estudios más conocidos (dosificaciones, etc.,) se entiende es importante cuando se están introduciendo nuevos componentes (fibras, etc.), la inclusión de ensayos para analizar el comportamiento estructural de un panel, simulando sistemas de carga como el correspondiente a la caída de una cuña de terreno. En la figura 3 se muestra un prototipo que podría utilizarse (Aguado et al. 1992) o bien utilizar paneles algo más pequeños, manejables y económicos, para ensayos más frecuentes en laboratorio (Roux et al., 1989).

Figura 3.- Paneles y sistema de ensayo para simular el comportamiento estructural En cuanto a los ensayos de control en la etapa de producción, se entiende que hay que propiciar sistemas de control que sean una intersección entre el control de producción y el control de recepción, en los que la experiencia de los estudios previos y de caracterización sea tenida en cuenta. Este planteamiento, se enmarca en una clara concepción del hormigón proyectado por vía húmeda como un material indivisiblemente asociado al proceso de puesta en obra. En los ensayos de control se pretende verificar el cumplimiento de las prestaciones especificadas si bien incidiendo lo mínimo en el proceso para potenciar el rendimiento del mismo. En esta etapa de control, los ensayos a utilizar son los estandar ya conocidos relativos:

Ø al hormigón como material, tanto en estado fresco (trabajabilidad) como en estado endurecido (resistencia a compresión a diferentes edades), ya sea en probeta moldeadas o testigo o bien de forma indirecta, mediante ensayos de arrancamiento (pull out).

Ø a los procesos, en especial al tratarse habitualmente de estructuras de pequeño

espesor, tomano este como variable principal a controlar. Ello puede materializarse mediante la utilización de clavos en las zonas establecidas para este control.

Asimismo, en el afán de interferir lo menos posible en el tajo deben contemplarse sistemas de control flexibles interactivos con los resultados que se vayan obteniendo en el desarrollo de la obra. 7.- CONCLUSIONES Las conclusiones de carácter general que se derivan de los trabajos expuestos pueden encauzarse en las siguientes líneas principales: - El hormigón proyectado por vía húmeda constituye actualmente un material capaz

de satisfacer las prestaciones requeridas en las diferentes funciones que se le puedan asignar en la construcción de túneles (acabado, revestimiento, sostenimiento). En este sentido, este aspecto se ve potenciado por la viabilidad tecnológica de incorporar otros materiales componentes al hormigón como son, entre otros, el humo de sílice, las fibras de distinto tipo y los aditivos químicos de última generación.

- La evolución experimentada en los equipos de proyección permite plantear una

optimización del proceso constructivo potenciando la obtención de elevados rendimientos en el mismo

- El hormigón proyectado por vía húmeda puede plantearse como un producto semi-

industrial, superando la concepción más artesanal del hormigón proyectado por vía seca.

- La filosofía de un control del proceso fundamentada en la calibración del mismo en

base al desarrollo de unos estudios previos detallados y completos, se estima constituye una clara tendencia de futuro dentro de lo que significa la concepción del control en este tipo de construcciones.

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