Tipos de Rocas y su Comportamiento en la Excavación de Túneles

1. Rocas Sedimentarias

1.1. Rocas Detríticas

1.1.1 Conglomerados

Son fáciles de excavar por voladura, aunque se obtiene un mal perfilado, mientras que por excavación mecánica puede resultar difícil por la presencia de cantos abrasivos. Si se trata de rocas bien cementadas, puede no ser necesario un sostenimiento; en caso contrario, aparecen brechas y arcillas, y hay que sostener de manera casi inmediata. Generalmente son impermeables.

1.1.2 Areniscas

Son rocas muy abrasivas, por lo que la maquinaria de excavación sufre mucho y se acude a sistemas de voladura. En zonas con presencia de limos se pueden producir arrastres (posterior reajuste de bloques); en zonas poco cementadas se pueden producir roturas bruscas de los bloques, mientras que si estamos en areniscas rígidas, tendremos poca convergencia y, por tanto, una necesidad de sostenimiento menor.

1.1.3 Arcosas

Son areniscas cementadas con material arcilloso. Si se trata de arcilla dispersiva, el paso del agua puede eliminar la cementación, lo que puede dar lugar a roturas bruscas sin previo aviso y con poca convergencia (deformación). Cementantes con un porcentaje superior al 50% de no dispersivos reducen notablemente el riesgo. Es inevitable colocar los sostenimientos inmediatamente.

1.1.4. Limolitas

Se excavan muy bien y para bajos niveles tensionales tienen un buen comportamiento (con taludes subverticales y sin sostenimiento para excavaciones pequeñas). Se pueden producir pérdidas bruscas de la cohesión, por lo que será necesario colocar sostenimiento de forma inmediata (rotura con poca deformación).

1.1.5. Argilitas

Pueden ser difíciles de excavar por la necesidad de utilizar dobles escudos (riesgo de subsidencia), además de adherirse el material a los útiles de excavación y producirse barro. Por el riesgo de subsidencia hay que revestir de forma inmediata, dependiendo la estabilidad durante la excavación únicamente de la cohesión a corto plazo.

1.2. Rocas Químicas

1.2.1. Calizas

Pueden necesitar de impermeabilización por flujos de agua subterránea (karst). Son de baja abrasividad, se pueden excavar con tuneladora (en caso de roca compacta, con pocas fracturas). En general, el Nuevo Método Austriaco funciona y no presentan problemas de estabilidad de frente. Puede haber problemas en caso de entrar en calizas margosas. Las necesidades de sostenimiento variarán en función del grado de fracturación y alteración de la roca.

1.2.2. Yesos

La anhidrita en presencia de agua puede transformarse en yeso con hinchamientos hasta del 60%. Mientras que en niveles superficiales predominará el yeso, a niveles más profundos (100 m), será más habitual encontrar anhidrita.

Presentan múltiples problemas:

• Disolución y formación de cavidades.
• Aumentos de volumen.
• Problemas de degradación- corrosión del hormigón-acero.
• Fluencias (cambios tensionales) a largo plazo.

2. Rocas Ígneas

2.1. Rocas Volcánicas

2.1.1. Lavas

Las juntas pueden ser paralelas al plano de la colada o bien de disyunción columnar (juntas perpendiculares al plano de la colada). Predominan las paralelas al plano de la colada, que discurren según la topografía original del terreno (con cierto albeo). En los bordes superior e inferior de estos planos hay juntas irregulares por diferencias en el enfriamiento; del mismo modo, pueden aparecer planos centrales paralelos en las coladas. Hay dos tipos de coladas:

• Colada básica: Es menos densa, de menor espesor pero con mayor número de juntas. Suelen atravesar varias coladas (pueden dar venidas de agua cuando se les atraviesa, fractura). Los basaltos no se meteorizan mucho.

BASALTOS: Pueden excavarse con perforación y voladura (si el basalto está meteorizado puede no tenerse un buen perfilado) o bien con tuneladora (la abrasividad es alta pero no excesiva y ha de tenerse en cuenta el espesor de la colada por problemas de heterogeneidad que pudieran producirse). El sostenimiento se determinará por el grado de alteración de la roca y la forma en que esta esté cementada.

• Colada ácida: Es más densa, se alcanzan mayores espesores y tiene menos juntas. Al poder desarrollarse en bloques de mayor espesor son más impermeables, aunque pueden meteorizarse y son menos resistentes que los basaltos.

2.1.2. Flujos piroclásticos

IGNIMBRITAS: Son depósitos de coladas piroclásticas de pómez y ceniza en la que los materiales se aplastan por el efecto de la columna de peso sobre ellos formándose una textura de flamas. Su compacidad es muy variable (desde alta resistencia hasta poderse cortar), por tanto, su excavación también será variable (bien con perforación y voladura o bien con tuneladora). Generalmente pueden sostenerse con bulones y gunita y son túneles estables a largo plazo.

2.2. Rocas Plutónicas

2.2.1. Diques

Los más comunes en España son los aplíticos. Por su gran abrasividad son difíciles de excavar (si se hace con tuneladora se desgastan mucho los cortadores). Crean dificultades en el sostenimiento por la caída de bloques contiguos al dique y la presencia de agua en las interfaces con otros materiales. En ocasiones pueden estar fracturados por la presencia de altas tensiones tectónicas (no es frecuente).

2.2.2. Granitos

Pueden llegar a ocupar grandes extensiones (de miles de kilómetros). Aparecen juntas en disposiciones ortogonales (caso de los bolos) y paralelas a la superficie debido a “descompresiones”. Con el tiempo el granito se altera dando lugar a jabre que pierde competencia en excavaciones abiertas. Para su excavación se suele utilizar voladura y su grado de efectividad (sobreperforaciones) dependerá del grado de fracturación del macizo. La excavación con tuneladora resulta más cara por el desgaste de los materiales debido al cuarzo (con más de 100 MPa se pueden utilizar máquinas “topo”), lo mismo sucede con medios mecánicos convencionales (si se encuentra muy alterado incluso se pueden llegar a usar “rozadoras”). Los sostenimientos dependerán de cómo de alterado esté el material:

• Terrenos no fracturados: Bulonado de bloques puntuales para evitar su caída.
• Terreno muy fracturado: Uso sistemático de gunita y bulones (incluso esporádicamente cerchas).
• Aparición de jabre: Colocación completa del sostenimiento de manera inmediata (cerchas, gunita y bulones).

3. Rocas Metamórficas

3.1. Pizarras

La foliación de las pizarras puede dar lugar a caídas de bloques, además influirán mucho las características del material en los planos de foliación y por lo general son poco permeables. Las pizarras arcillosas con poca sílice oxidan a limolita y lutita; si tienen gran contenido en sílice su comportamiento mejora. Puede haber problemas de estabilidad del frente, la excavación deberá ser mecánica y por tanto los sostenimientos a usar pueden ser importantes. Por la foliación, además, el perímetro quedará irregular y habrá que rellenar huecos con hormigón, además de pases de avance cortos y en presencia de un paraguas de micropilotes.

3.2. Esquistos Silíceos

El grado de fracturación será reducido con pocas caídas de bloques. Por tanto, la excavación puede ser mecánica o por voladura y los sostenimientos serán de magnitud “normal”. Los esquistos pueden deteriorarse volviendo a pizarras o pizarras arcillosas, aumentando así los problemas dentro del túnel.

Clasificaciones Geomecánicas para la Evaluación de Macizos Rocosos

Se basan en:

• Resistencia de la roca matriz
• RQD
• Espaciado juntas/discontinuidades/defectos
• Orientación de las juntas/discontinuidades/defectos
• Estado tensional del macizo
• Filtraciones y presencia de agua

Permiten:

• Describir el macizo rocoso
• Caracterizar su comportamiento
• Evaluar el sostenimiento de los túneles

Métodos de Clasificación

1. Ensayo de carga puntual PLT o de Franklin

Permite medir de manera indirecta la resistencia a tracción de una roca. Su gran ventaja es la sencillez de la muestra a tomar y el aparato (puede realizarse sobre el terreno o en laboratorio). Consiste en un bastidor con dos punzones unidos a un sistema hidráulico que permite someter a la roca a una compresión puntual.

2. RQD (Rock Quality Designation Index) – Deere

Porcentaje de fragmentos mayores de 10 cm recuperados de un testigo respecto al total de este. Varía entre 0 (roca mala) y 100 (roca muy buena).

3. Número de juntas por unidad de volumen – Jv

Número de juntas que intersectan a un metro cúbico de volumen de roca.

4. Rugosidad de la discontinuidad

Es un componente importantísimo en la resistencia al corte de la roca que disminuye con la apertura y el espesor de los rellenos. Se distingue entre macrorugosidad y microrugosidad.

5. Apertura de las discontinuidades

Distancia entre los dos bloques de roca, esta puede estar o no rellena de otro material.

6. Estado de las discontinuidades

7. RMR (Rock Mass Rating) – Bienawski

Se obtiene un número entre 0 (roca muy mala) y 100 (roca muy buena). Se obtiene de la suma de cinco parámetros más una corrección, estos parámetros son:

• Resistencia de la roca matriz (por compresión simple o PLT)
• RQD
• Espaciado de las discontinuidades
• Estado de las discontinuidades
• Condiciones hidrogeológicas o de presencia de agua

Para obtener la corrección es necesario conocer la orientación del túnel y de los bloques de roca.

De esta forma trabajaremos con una serie de tablas:

• RMR básico (sin corrección)

Métodos de Excavación en Túneles

2. Excavación por discos

Esto significa excavación mediante tuneladora, esto consiste en aplicar una rotación y una presión sobre el frente que hace que se desprendan chips (trozos de roca):

Los chips se forman por la unión de grietas.

En función de la presión, rotación y distancia entre discos utilizada en los distintos terrenos el proceso será mayor o menor exitoso.

Los discos se desgastarán de una u otra forma dependiendo del tipo de roca y si del proceso es el adecuado, por ejemplo, si el terreno es excesivamente blando los discos tenderán a “afilarse”, si el terreno presenta parte más duras los discos se “mellarán”,… El cambio de discos supone una buena parte del proyecto en términos económicos y de tiempo (hay que parar la excavación para poder cambiar estos).

3. Excavación mediante métodos mecánicos

Proceso cíclico al igual que en el caso de la voladura que comienza con un replanteo topográfico, excavación, carga del material y colocación del sostenimiento:

3.1. Excavación

Se puede llevar a cabo:

• Métodos manuales (pocos rendimientos)
• Retroexcavadora
• Martillo neumático (para rocas)
• Rozadoras

Se han desarrollado tanto retroexcavadoras como rozadoras con un sistema de recogida del material que permiten cargarlo directamente a través de un sistema de cintas o parecido al camión.

Rozadoras:

Son máquinas con un gran rendimiento que además suelen llevar ya incorporado el sistema de recogida. Se diferencian dos tipos:

• Corte axial: Movimiento de presión contra el terreno y rotación.
• Corte transversal: Movimiento de presión contra el terreno y rotación en eje paralelo a este.

Las rozadoras de tipo axial consiguen un mayor rendimiento y mejor perfilado, sin embargo necesitan de un mayor anclaje lo que puede suponer una desventaja sobre todo en terrenos duros.

Sostenimiento y Revestimiento en Túneles

1. Sostenimiento vs Revestimiento

El sostenimiento se encarga de “que el túnel no se caiga” mientras que el revestimiento se encarga de conseguir una superficie lisa además de una posible función resistente en caso por ejemplo de fluencia del sostenimiento.

En el sostenimiento utilizamos bulones, cerchas y hormigón proyectado mientras en el revestimiento utilizamos hormigón bombeado. Normalmente suele suponer tres capas: Sostenimiento + impermeabilizante + revestimiento. En caso de utilizar dovelas estas sirven tanto de sostenimiento como de revestimiento.

2. Elementos de sostenimiento

2.1. Bulones

Técnica que consiste en introducir barras resistentes en el terreno a través de perforaciones y orificios en este y que están solidarizados con él a través de métodos químicos o mecánicos. Es decir, “cosen el terreno”.

Pueden considerarse como solución para sostener una determinada cuña en un punto, bulones sueltos, o bien, como una solución en toda la longitud del túnel formando un determinado patrón en todas las secciones, bulonado en malla.

Los bulones trabajan sobre el terreno a través de una barra resistente que se adhiere al terreno a través de un determinado sistema de anclaje (mecánico o químico), a tope sobre el sostenimiento a través de una placa de reparto.

2.1.1. Tipos de anclaje

• Anclaje expansivo: Elemento en la punta que una vez introducido se expande
• Split-set: Tubo cilíndrico abierto de un mayor diámetro que el taladro ejecutado
• Swellex: Tubo que se introduce “arrugado” y una vez en el interior “se infla” introduciendo agua a través de él
• Anclaje químico con resina: Se introducen unos cartuchos de resina en el taladro y luego la barra que al entrar rotando mezcla los componentes de la resina. Su principal inconveniente es que si el terreno está muy fracturado la resina se introduce por las grietas y no queda correctamente fijado
• Cemento: Se introduce cemento entre las paredes del terreno y la barra

2.1.2 Bulones especiales

• Bulones autoperforantes: El mismo varillaje que se introduce para la perforación funciona como barra. Tras acabar con la perforación se introduce cemento por el conducto de agua para fijarlo al terreno.
• Bulones de fibra de vidrio: Son caros y tienen poca resistencia al corte. Se utilizan en frentes

2.1.3. Función

Los bulones se utilizan para el anclaje de cuñas o el confinamiento del terreno.

2.2. Hormigón proyectado

Hormigón aplicado neumáticamente sobre la pared y compactado dinámicamente gracias a la velocidad.

Para introducir el hormigón hasta el frente del túnel para colocarlo en el revestimiento utilizamos vehículos autohormigonera o torpedos sobre raíles.

Para colocar el hormigón sobre el terreno tenemos dos métodos:

• Vía seca: Sobre la tolva se vierte árido y cemento y una vez en la boquilla de proyección añadimos el agua.
• Vía húmeda: Sobre la tova vertemos ya la mezcla final, es decir, con el agua ya añadida.

Además del hormigón se coloca un mallazo o bien se añaden a este hormigón fibras metálicas o bien sintéticas para así mejorar sus propiedades.

Las funciones del hormigón proyectado son:

• Sellado
• Sostenimiento temporal
• Sostenimiento definitivo
• Impermeabilización
• Regularización de la sección

2.3. Cerchas

Perfiles metálicos a modo arco que se utilizan en terrenos malos según los pasos de avance.

3. Predimensionamiento del sostenimiento

Para el diseño de un túnel contamos con:

• Métodos Analíticos/Numéricos: Normalmente muy complejos y asociados a programas de ordenador específicos.
• Parámetros Geotécnicos: A partir de RMR y Q podemos obtener a través de tablas una idea del sostenimiento necesario.
• Instrumentación: A través de control de distintos parámetros en obra.

No obstante estos nunca se utilizan de forma individualizada si no que en un diseño real se utilizan todos estos tipos de datos.

3.1. Con parámetros geotécnicos

• RMR: Válido para 10 m de vano y una tensión inferior a 25 MPa=~900 m de profundidad

De esta forma solo necesitamos conocer el tipo de roca según el RMR y esta tabla nos devuelve modo de excavación, bulonado, hormigón proyectado y cerchas necesarias.

En esta tabla conociendo el parámetro Q y el tipo de obra podemos realizar un predimensionamiento de la longitud de bulonado en función de si se aplica hormigón proyectado o no.

3.2. Fases de proyecto

Para un proyecto de túnel:

• Perfil geológico-geotécnico: Se pretenden conocer los tipos de rocas, hidrología, se realizan sondeos,…
• Tramificación: División del túnel en distintas zonas con propiedades semejantes.
• Secciones tipo: Se escogen aquellas secciones para su estudio más detallado teniendo en cuenta aquellas que son más representativas o que se suponen más problemáticas.
• Predimensionamiento de las secciones tipo.

Luego habrá que seguir todo ello de un estudio más detallado de las distintas zonas.