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USO DE CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS EN LAS BOQUILLAS

DE TÚNELES

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USO DE CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS EN LAS BOQUILLAS

DE TÚNELES

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ÍNDICE

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5.1 PARTICIÓN DE LA SECCIÓN 17

5.2 PARAGUAS 17

5.3 BULONES 18

5.4 HORMIGÓN PROYECTADO 20

5.5 RED 20

5.6 MALLAZO 20

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1. INTRODUCCIÓN

En todas las versiones de la clasificación Q de BARTON (desde la de 1974 hasta la de

1993) aparece una nota que dice: “ para boquillas úsese 2 Jn (en vez de Jn)” . Puesto que:

65)----54'4 ZDU

Q ello equivaldría a recomendar que en las boquillas se divida por 2 el valor de Q lo que supone

reducir en una clase (o a veces mantener) la clase de sostenimiento.

Sin embargo si se considera que las boquillas están muy cerca de la superficie el valor

correspondiente de SRF aumenta al menos de 1 a 2.5.

Por lo tanto en conjunto y como regla general aproximada puede aceptarse que:

Qboquilla = Qtúnel / 5 Qb = Q/5

No existe, en ninguna de las versiones de la clasificación RMR de BIENIAWSKI, una

recomendación específica para boquillas. Si se traslada la corrección de Q de la clasificación

de Barton, mediante la conocida fórmula:

RMR = 9 ln Q + 44

se obtiene

RMRb = 9 ln Qb + 44 = RMR – 9 ln 5 a RMR – 15

que equivaldría a una reducción de casi una clase de BIENIAWSKI.

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En la práctica española el incremento de sostenimiento en las boquillas, y en los

tramos de entrada, de los túneles, es mucho mayor de la que resultaría de la aplicación

indiscriminada de estas reducciones de los valores de RMR y Q. Por poner un ejemplo en

ningún caso se colocarían cerchas en las boquillas de túneles con RMR igual o superior a 65 y

en la práctica sí se colocan.

El elevado número de incidentes (y de accidentes) en las boquillas de los túneles está

motivando una actitud mucho más conservadora a la hora de diseñar sostenimientos,

normalmente rígidos, para los primeros 10 a 20 m de los túneles. Y el paragüas se ha

convertido en una práctica habitual.

La mayoría de los problemas de boquillas son causados por roturas de talud a favor de

juntas que buzan hacia el exterior y/o vuelcos de estratos cuando las juntas buzan hacia el

interior.

La clasificación de BARTON no está prevista para taludes y en la de BIENIAWSKI

los factores de ajuste según la orientación de las juntas son mucho mayores para taludes que

para túneles.

TABLA 1. FACTORES DE AJUSTE EN LA CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKI

(1979)

Orientación Muy

favorable

Favorable Media Desfavorable Muy

desfavorable

Túneles 0 - 2 - 5 - 10 - 12

Taludes 0 - 5 - 25 - 50 - 60

Diferencia de RMR 0 - 3 - 20 - 40 - 48

Diferencia de clase 0 < 1 1 2 > 2

Por lo tanto las diferencias de clase (y el correspondiente incremento de las medidas

de sostenimiento) resultarían mucho mayores si se analiza el problema como un talud en lugar

de analizarlo como un túnel. El emboquille es precisamente la intersección de ambas cosas –

talud y túnel – y por esta razón no pueden aplicarse (y de hecho nunca se aplican) las

clasificaciones geomecánicas convencionales a los emboquilles.

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2. PROPUESTA DE ROGERS Y HAYCOCKS (1989)

En una comunicación que ha pasado casi desapercibida ROGERS y HAYCOCKS

(1989 a) presentaron una “ Clasificación de rocas para el diseño de portales” basada en “ un

estudio de 300 casos de portales” donde “ se comprobó que, desgraciadamente, las roturas

tanto de superficie como de interior son frecuentes” . Parece que la mayoría de los casos se

referían a portales de minas, aunque se añadieron algunos casos de bocas de túneles. Los

autores trabajaban en el Departamento de Ingeniería Minera y Mineralúrgica de la

Universidad Estatal Politécnica de Virginia en Blacksburg (Virginia, USA) y habían

presentado dos comunicaciones similares en Conferencias Internacionales sobre Minería

(ROGER y HAYCOCKS, 1988, 1989b).

El trabajo de ROGERS y HAYCOCK tiene tres partes. En la primera recomiendan el

uso de los factores de ajuste para taludes propuestos por BIENIAWSKI y presentan la

siguiente tabla (donde se han añadido los valores deducidos del sistema SMR).

TABLA 2. FACTORES DE AJUSTE PARA LA ESTABILIDAD DE TALUDES EN

LAS TRINCHERAS DE ACCESO A LOS PORTALES (ROGERS y

HAYCOCKS, 1989a)

RUMBO PARALELO A TALUDBUZAMIENTOEE(O) EE HACIA EXT. EE HACIA INT.

RUMBO PERPENDICULAR A

TALUD

0-15

15-30

20-60

60-90

-5 (-9)

-25 (-24)

-50 (-50)

-60 (-60)

0 (0)

-5 (-6)

-5 (-25)

-25 (-25)

0 (-1)

0 (-4)

-5 (-8)

-25 (-9)

Notas. La tabla fue derivada para taludes frontales subverticales

Se ha añadido (entre paréntesis) el factor de corrección obtenido mediante el sistema SMR para

talud vertical

Puede observarse que hay una coincidencia notable entre los factores de ajuste

propuestos por ROGERS y HAYCOCK en 1989 y los que se deducen del sistema SMR

(ROMANA, 1985)* que ROGERS y HAYCOCK probablemente desconocieron cuando

realizaron su estudio.

* última publicación en español en el Simposio de Taludes de Granada (ROMANA, 1997)

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En una segunda parte de la comunicación proponen una forma y dimensiones

empíricas para la posible rotura en clave. La figura 1 reproduce las dimensiones propuestas.

El volumen de roca V, que debería resistir el sostenimiento valdría:

G[Z9 ������ ¹̧·©̈§ Sdonde: v volumen de roca

w ancho del túnel

d altura ������������� 81$/Z505G � y el ángulo crítico D, valeD = arc tg (25 / (100-RMR)) > 14º

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Figura 1. Modelo de carga de ROGERS y HAYCOCKS (1988)

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TABLA 3. RECOMENDACIONES DE SOSTENIMIENTO DE PORTALES (ROGERS y HAYCOCK, 1989)�� (;&$9$&,¾1 5(&8%5,0,(172��:�&/$6( 683(5,25 /$7(5$/ 3$6( 3$57,&,¾1 7Á1(/3,/272 %(50$�(1&/$9( 3$5$*8$6/��:� 9,6(5$�(;7(5,25505% ,,,,,,,99

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2SF�6L6L6L�"�

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126,6,6,6,

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����7HQGHU�WDOXG���6267(1,0,(172�,17� +250,*¾1�352<(&7$'2��FP� %8/21(6 0$//$ &(5&+$6&/$6( &ODYH +DVW� )UHQWH /��:� 6��P� 7LSR 6��P� )RUUR 27526505% ,,,,,,,99

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En una tercera parte proponen unas recomendaciones muy detalladas para los métodos

de excavación, emboquille y sostenimiento tanto de interior como de los taludes de la

trinchera. Estas recomendaciones se basan en el valor del RMR corregido para las boquillas

con los factores de ajuste correspondientes a los taludes (RMRB) y que consideran

“ ligeramente más conservadoras que las recomendaciones de las clasificaciones RMR y Q.

Este grado adicional de sostenimiento se considera necesario para evitar las roturas de portales

encontrados comunmente... en las condiciones muy variables y a menudo adversas que se

encuentran cerca de la superficie de las masas rocosas” . Estas recomendaciones se presentan

(traducidas y reordenadas) en la tabla 3.

'HVGH� OD� SUiFWLFD� HVSDxROD� HVWDV� UHFRPHQGDFLRQHV� SDUHFHQ� PX\� FRQVHUYDGRUDV� HQDOJXQRV� DVSHFWRV� �WUDWDPLHQWR� GH� WDOXGHV�� ORQJLWXG� GH� EXORQHV�� SHUR� FRQVWLWX\HQ� XQD� EXHQDOLVWD�GH�FRQWURO�GH�WRGDV�ODV�PHGLGDV�GLVSRQLEOHV�D�OD�KRUD�GH�GLVHxDU�XQD�ERTXLOOD�

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3. DIVISIÓN DE LA CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKI EN SUBCLASES

La clasificación de BIENIAWSKI ha dividido siempre el índice RMR dentro de 5

clases (I, II, III, IV y V) con las denominaciones desde Muy buena a Muy mala. Cada clase

cubre un intervalo de 20 puntos.

En la práctica las clases no son equiparables entre si. La clase I (Muy buena) es muy

poco frecuente porque no abundan los macizos muy poco diaclasados y de gran calidad.

La clase III (Media o Regular) es normalmente la más frecuente pero cubre un rango

demasiado amplio. Las necesidades de sostenimiento de un túnel de RMR = 40 son muy

diferentes de las de un túnel de RMR = 60. El primero probablemente incluirá cerchas

mientras que el segundo casi nunca se construirá con cerchas. Y los espesores de hormigón

proyectado o la longitud de pase serán también diferentes.

La clase IV (Mala) es demasiado amplia. Un túnel de RMR = 20 se excavará

mecánicamente y en condiciones precarias de estabilidad mientras que en un túnel con RMR

= 40 podrán utilizarse las voladuras y las necesidades de sostenimiento, aunque importantes,

permitirán unos ciclos de trabajo con rendimientos sistemáticos y tolerables.

Por ello proponemos la sustitución del sistema de 5 Clases por el de 10 Subclases.

Cada subclase tiene un rango de 10 puntos y para mantener un cierto grado de correlación con

la división anterior se denomina con el numeral romano de BIENIAWSKI (I, II, III, IV, V)

seguido de una letra: a para la mitad superior y b para la mitad inferior de cada clase. Estas

modificaciones están ya en uso en el sistema SMR para taludes.

La tabla 4 recoge la comparación entre las clases de BIENIASKI y las subclases

propuestas con la denominación de cada una.

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TABLA 4. CLASIFICACIÓN MODIFICADA DE BIENIAWSKI EN SUBCLASES Y

COMPARACIÓN CON LA ORIGINAL (ROMANA 2000)

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Debe hacerse notar que la Subclase Ia (90 < RMR < 100) es casi imposible de

alcanzar, dado que en España son muy escasas las rocas con resistencias a compresión simple

superiores a 100 Mpa y en las de resistencia inferior el RMR básico máximo teórico es 92. En

el caso de orientación favorable el factor de ajuste para túneles es – 2 con lo que RMR < 90.

La subclase IV (0 < RMR < 10) es también muy poco frecuente. De la lectura de la

tabla de BIENIAWSKI (1989) parece deducirse que el valor mínimo del RMR básico es 8.

Sin embargo en condiciones desfavorables o muy desfavorables el factor de ajuste vale –10

y –12 respectivamente, lo que puede conducir a valores negativos del RMR. En cualquier caso

no se puede afirmar que un RMR < 10 corresponda a un terreno que pueda asimilarse a una

masa rocosa. Se trataría siempre de terrenos muy tectonizados con juntas muy abiertas y/o

rellenos gruesos blandos con los bordes muy lisos, con estrías de foliación (“ slickensides” ), y

su comportamiento sería equivalente al de suelos plásticos con resistencia al corte muy

reducida, por lo que se salen fuera del ámbito normal de la clasificación.

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4. RECOMENDACIONES DE EMBOQUILLE

En la literatura técnica española se ha escrito muy poco sobre emboquille de túneles,

más allá de citar una serie de casos concretos. Hay un capítulo en el Manual de Ingeotúneles

(ORTUÑO, 1998) y destaca el intento de CELADA (2000) que ha reunido a varios autores, y

ha dedicado a los emboquilles la tercera parte de su “ II Curso sobre diseño de túneles” . Pero

se carece, a diferencia de lo que ocurre con los sostenimientos, de unas reglas simples que

permitan predimensionar los emboquilles en los estudios de viabilidad y en los anteproyectos.

Como una primera aportación para cerrar esa laguna presentamos en la Tabla 5 unas

“ Recomendaciones de emboquille de túneles indicando varios aspectos específicos” .

Conviene hacer notar que estas recomendaciones no pretenden referirse al problema

de la estabilidad global de los taludes de la trinchera de acceso a la boca. Los taludes laterales

deben tratarse de la misma forma que en el resto de la traza. En cuanto al talud frontal son

frecuentes los problemas de estabilidad, con caídas parciales o incluso roturas generalizadas,

que muchas veces no se estudian, confiando solamente en el efecto tridimensional de la

trinchera de acceso y en la dimensión relativamente reducida de la base. Especialmente los

problemas de vuelco de estratos suelen sorprender durante la ejecución. Y así como es un

talud normal el vuelco suele ser un proceso lento que rara vez es catastrófico, en los taludes

frontales de las bocas de los túneles el vuelco desorganiza la masa rocosa situada sobre la

clave del túnel y daña las medidas de emboquille construidas previamente (puede verse un

ejemplo en la boca N del túnel de Paracuellos (ROMANA, 1997), lo que puede evitarse

tratando previamente el talud frontal (como en el caso de la boquilla S. del túnel de Torrecilla,

ROMANA 2000).

Las recomendaciones que se presentan tratan de resumir la buena práctica actual

española en el campo de los emboquilles. Dado el riesgo que para la obra supone un accidente

en la boquilla del túnel la buena práctica es conservadora. El incremento de coste que esto

supone es muy pequeño comparado con el coste de cualquier incidente (y de la parada de obra

que suele conllevar). Además es preciso tener en cuenta la seguridad del personal de

ejecución, que permanece en las inmediaciones de la boca más tiempo que en cualquier otro

punto de la obra. Para garantizar esta seguridad frente a caídas de piedras (por degradación y/o

meteorización de los taludes frontales) es normal la construcción de viseras (falsos túneles

exteriores) de varios metros de longitud y la instalación de mallas (redes) sobre la cara del

talud.

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Una buena práctica es la construcción de sistemas de cunetas de drenaje, con las

correspondientes bajantes, para evitar la escorrentía superficial sobre las superficies de los

taludes de la trinchera. Precauciones suplementarias contra accidentes son: la excavación

suplementaria, tendiendo el talud en las zonas superiores meteorizadas, y la colocación de

barreras y/o cercas para evitar las caídas de personas.

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TABLA 5. RECOMENDACIONES DE EMBOQUILLE DE TÚNELES

(ROMANA, 2000)

&/$6,),&$&,¾1 (;&$9$&,¾1 75$7$0,(172�'(/�7$/8'�)5217$/%8/21(6505 &/$6( 3$57,&,¾1�'((0%248,//( 3$5$*8$6 /��P� E�P� V��P� +250,*¾1352<(&7$'2�O��FP� 5('��0$//$��� ,�D 2SFLRQDO 1R 1R 1R 1R 2SFLRQDO�� ,�E 2SFLRQDO ����� ����� 2FDVLRQDO 1R 6L�� ,,�D 6(&&

,¾1�&203/

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5. COMENTARIOS SOBRE LAS RECOMENDACIONES DE EMBOQUILLE

5.1 PARTICIÓN DE LA SECCIÓN

El uso de la maquinaria convencional de excavación de túneles requiere alturas libres

no menores de 5 ó 5,5 m. Por lo tanto los túneles de hasta 6 ó 7 m de ancho suelen excavarse a

sección completa. En los túneles de ancho mayor (como son todos los túneles de carretera y/o

ffcc de vía doble) puede plantearse la excavación a sección completa (que tiende a realizarse

cada vez más) o a sección partida.

Las recomendaciones se refieren solo a la zona de emboquille. Para masas rocosas de

buena calidad (RMR > 70) parece recomendable emboquillar a sección completa, si la

excavación va a continuarse también a sección completa. Para masas rocosas de media calidad

(30 < RMR < 70) el sistema habitual es la sección partida en dos: avance y destroza. Para

masas rocosas de calidad mala (30 > RMR) es más conveniente el emboquille por galerías

múltiples, con construcción de contrabóveda robusta para finalizar la sección. La galería

central de avance se excava por delante de la calota (al menos unos metros) y proporciona una

seguridad adicional, incluso cuando se emboquilla a sección partida y la calidad del macizo

rocoso es media a baja (50 > RMR).

5.2 PARAGUAS

El paraguas es siempre una buena práctica y se recomienda cuando la calidad del

macizo rocoso no es muy buena (80 > RMR). Para los detalles constructivos y de perforación

puede consultarse la excelente comunicación de MURILLO (2000). Hay muchas clases de

paraguas pero por simplicidad se han considerado solo tres tipos:

a) Paraguas ligero (60 < RMR)

Constituido por bulones de I 32 y 6 metros de longitud colocados dentro de una

perforación de 21/2s (67 cm). El espacio entre la barra y la perforación se rellena con

lechada de cemento. La longitud máxima es de 9 m y las barras son únicas sin solapes

ni prolongaciones. La distancia usual entre las perforaciones varía entre 0.5 y 1 m.

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b) Paraguas medio (30 < RMR < 70)

Constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior igual o inferior a

90 mm y espesor igual o inferior a 7 mm. Estos tubos se introducen en perforaciones de

diámetro inferior a 6” (150 mm) y se rellenan interiormente y exteriormente con mortero, que

puede aplicarse con una ligera presión. La distancia entre ejes de micropilotes oscila entre 40

y 70 cm. La longitud de estos paraguas varía entre 9 y 20 m. Para longitudes mayores de 9 m

es preciso adicionar tubos por un sistema de rosca macho-hembra (la resistencia a flexión

disminuye mucho en la sección roscada) o con manguitos exteriores. Generalmente los

micropilotes asoman algo en cabeza y se arriostran con una viga armada de directriz curva,

paralela al límite teórico de la sección de emboquille.

c) Paraguas pesado

Puede estar constituido por micropilotes de tubo metálico de diámetro exterior

superior a 90 mm y espesor superior a 7 mm, introducidos en perforaciones de diámetro

superior a 6 “ (150 mm), rellenas interiormente y exteriormente por lechada que puede

aplicarse con una ligera presión, o bien inyectarse con la técnica de los tubos-manguito. La

distancia entre los ejes de micropilotes es menor de 50 cm. La longitud de los paraguas

pesados es, como mínimo de 20 m y está limitada técnicamente por la capacidad para

mantener el paralelismo entre perforaciones próximas. Aunque se han citado paraguas de

hasta 40 m de longitud la práctica habitual rara vez excede de 20-25 m.

Un método antiguo de construcción de paraguas pesados sustituye los micropilotes

por carriles ferroviarios pero la longitud de los paraguas de carriles está limitada por la

capacidad de perforación.

En terrenos sin cohesión el paraguas puede construirse mediante columnas de jet-

grouting, utilizando el método llamado de Jet 1 (con inyección a presión solo de lechada). En

las columnas es conveniente introducir una armadura. La distancia entre ejes de columnas es

la necesaria para que resulten tangentes (o casi tangentes) entre si. La longitud de los paraguas

de jet grouting suele variar entre 12 y 20 m aunque se han construido paraguas de jet-grouting

de hasta 25 m.

5.3 BULONES

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Es normal la utilización de bulones de acero corrugado, o de acero de alta resistencia.

El diámetro recomendable es I 32, aunque pueden utilizarse bulones de I 25 cuando la

calidad del macizo rocoso sea alta.

Los bulones deben anclarse por adherencia con lechada de cemento y es conveniente

aplicar en cabeza una ligera tensión para prevenir la descompresión del talud. La longitud de

los bulones suele ser inferior a 6 m. En las recomendaciones se han propuesto longitudes (y

densidades de bulonado) crecientes cuando disminuye la calidad del macizo rocoso. En todo

caso la longitud nunca será inferior a un décimo de la altura del talud, medida sobre rasante.

Las densidades iguales o superiores a 1 bulón/m2 son altas.

Los bulones deberían perforarse e instalarse por bandas horizontales, al mismo ritmo

de excavación del talud, para evitar la descompresión de la masa rocosa.

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5.4 HORMIGÓN PROYECTADO

El gunitado sistemático de los taludes no es deseable. La capa de hormigón

proyectado puede dificultar el drenaje natural, aporta poca resistencia frente a un problema de

inestabilidad del talud, enmascara los síntomas iniciales de roturas por deslizamiento y,

además, tiene un mal aspecto desde el punto de vista estético.

La adherencia del hormigón proyectado a la superficie del talud puede ser escasa en

algunas zonas creando “ bolsas” despegadas que se rellenan de agua y/o donde aparecen

grietas de difícil interpretación.

El papel del hormigón proyectado debe reservarse a los casos en que es preciso

regularizar algunos puntos del talud, para evitar descalces y roturas superficiales en masas

rocosas de calidad media a buena (40 < RMR), y entonces debe aplicarse puntualmente, según

la técnica del “ hormigón dental” .

Para masas rocosas de calidad mala (RMR < 40) el hormigón proyectado puede ser

útil para prevenir la erosión superficial debida al clima o a la escorrentía superficial de agua.

En esos casos es preciso garantizar la adherencia a la superficie del talud, lo que puede

hacerse con bulones muy cortos. Si el talud frontal va a quedar visible, total o parcialmente, al

terminar la obra, conviene utilizar en la capa final de hormigón proyectado algún colorante

para que el color superficial sea similar al del terreno, evitando el contraste que suele producir

el color gris del cemento.

5.5 RED

La colocación de una red/malla metálica sobre el talud supone una importante

protección contra la caída de piedras y es muy recomendable donde el punto de vista de la

seguridad del personal, aunque no supone mejora de la estabilidad del talud.

5.6 MALLAZO

Se recomienda la colocación de mallazo como armadura de la capa de hormigón

proyectado. Su función es evitar la rotura a tracción de la gunita y reforzar su resistencia a

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flexión frente a fenómenos de caída de fragmentos de la masa rocosa. Suele bastar un mallazo

de 150 x 150 x 6 mm, que se duplica en macizos de calidad geotécnica muy mala.

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6. REFERENCIAS

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