Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Geotecnia

CLASE Nº 4 DE TÚNELES

Prof. Silvio Rojas Mayo , 2009

Drenaje en túneles: Manto drenante colocado sobre el concreto proyectado

TENAX MDP, especificado para interceptar y drenar el flujo de agua. inclusive cuando es a presión Andamio

Superficie será uniforme para cuando se aplica el concreto lanzado, reduciendo los costos de instalación y proporcionando un grado de impermeabilidad mayor.

Ventajas de la capa drenante (Casa comercial): •Un espesor constante en el acabado de estructuras de concreto reforzado •Cargas uniformemente distribuidas ??? •Índice de flujo hidráulico constante a largo plazo •Reducción del esfuerzo cortante que pudiera sobre esforzar a la estructura. ??? •Limitada transmisión de carga (inclusive bajo cargas dinámicas) que pueden ser causadas por asentamientos y/o deformaciones de áreas circunvecinas. (el geocompuesto actúa como un elemento semiflexible colocado entre la superficial natural y la estructura final).

Si se prevé la necesidad de una capa impermeable adicional, el geocompuesto TENAX MDP la protegerá del punzonamiento provocado por roca, daños causados por microorganismos y por suelos particularmente corrosivos, conservando el acabado de la estructura de una rápida degradación.

Geocompuestos TENAX MDP El Geocompuesto TENAX MDP es una combinación de una geomembrana cuspada y un geotextil. Esta combinación que tiene alta capacidad drenante y filtrante, ofrece un sistema completo de drenaje y protección además de dar la condición de impermeabilización. Geomenbrana (impermeable)

Geotextil (filtrante)

Los geocompuestos TENAX. capacidad elevada de transporte del agua hasta el sistema de evacuación colocado en la base de la pared protección mecánica efectiva de la geomembrana impermeable.

La gran resistencia de la comprensión Transmibilidad hidraúlica elevad geocompuestos TENAX constituyen un sistema filtro-dreno-protectivo de gran eficiencia de mínimo estorbo y fácil instalación.

Stefan Lemke, José Luis Enciso y Alberto Rey de Sika Congreso Nacional de Impermeabilización: Edificación y Obra Civil.

Comentarios: •Los túneles se diseñan y construyen en la actualidad para un periodo de servicio de hasta 100 años •La ubicación del túnel respecto especificaciones para su ejecución.

al

nivel

freático

determine

las

•El funcionamiento óptimo del sellado se presenta como un factor crítico en el caso de túneles con tráfico, ante la dificultad adicional que presentan frente a las labores de reparación debidas a daños producidos por el agua, especialmente en zonas de presión de agua. •El revestimiento de túneles que se encuentren por debajo del nivel freático no debe sufrir daños ocasionados por el agua.

El agua infiltrada absorbe y transporta materiales solubles al atravesar el material de los hastiales y el propio hormigón proyectado.

Los túneles drenados recogen el agua infiltrada a través de drenajes en la solera o pies de hastial aliviando la estructura del túnel

1 Colector principal 4: Colector para drenaje de la pared 11: Colector de drenaje del paviment 2: Base de grava triturada 3: Material de relleno 11

5: Concreto proyectado 7: Impermeabilizante o geocompuesto.

Fig.1.- Sistema paraguas incluyendo sistema de drenajes.

10: Concreto de revestimiento definitivo y losa de concreto del pavimento 9: Concreto aceras y de base de la losa.

Impermeabilización: Geomenbrana + geotextil

Hormigón proyectado

Colocación:

Anillo de revestimiento

soldadura + fijación + capa de protección + discos, cintas PVC, etc.

Inyección ( en contacto con geomenbrana colocadas contra presiones de agua) hormigón proyectado es el sostenimiento PRIMARIO durante las labores de avance. En el sostenimiento emplean: Cerchas metálicas Malla de acero Bulones hormigón proyectado.

se

Este hormigón proyectado debe presentar una superficie adecuada para preservar la integridad de la capa drenante y de la geomenbrana

En el caso de túneles de doble revestimiento con láminas, la última capa de hormigón proyectado no requeriría acondicionar con hormigón proyectado adicional la superficie, para lograr una fijación adecuada entre el geotextil y la lámina. (s.r las inyecciones corrigirán ésto)

s.r 1: Colector de los hastíales y colector principal 3: Primera capa de concreto proyectado 8

4: Geotextil 5: Geomenbrana 8: Segunda capa de concreto (s.r). 2: Grava triturada 7: Geotextil

La superficie de hormigón proyectado debe satisfacer estos criterios

para la colocación de láminas: •Irregularidades de pequeña escala deben tener un radio mayor de 300 mm •El hormigón proyectado debe estar fraguado con un espesor de capa mínimo de 5 cm • El malla metálica estructural, bulones, cabezas de anclaje, etc. deben estar recubiertos al menos por 5 cm de hormigón proyectado •Las esquinas y los límites deben estar redondeados •Emplear áridos rodados (no de machaqueo) •Tamaño máximo del árido debe ser 8 mm •se recomienda emplear acelerantes de fraguado libres de álcali. El Na2O equivalente en acelerantes libres de álcali debe ser menor del 1%

CONCEPTO DE SELLADO DE UN TÚNEL TÚNELES SIN DRENAJE PERMANENTE (SELLADO EN TODO EL PERÍMETRO DEL TÚNEL CON PRESIÓN DE AGUA) s.r construidos para soportar presiones de agua desde el exterior

Drenaje permanente no es necesario en un túnel construido para soportar presiones de agua. altas presiones de agua, que incrementan los requerimientos de resistencia para el revestimiento.

s.r Carga de agua que debe soportar el revestimiento En túneles no drenados bajo presiones de agua en los que el sostenimiento se realiza empleando hormigón proyectado, las láminas se colocan entre el hormigón proyectado y el anillo de revestimiento.

El diseño impermeable, puede ser:-

Una lámina en todo el perímetro del túnel

Doble lámina en todo el perímetro del túnel

túneles excavados a sección completa con TBM’s, se coloca una única lámina entre las dovelas de hormigón prefabricadas y el anillo de revestimiento, recubriendo así todo el perímetro de los mismos.

Una lámina en todo el perímetro del túnel combinada con una anillo de revestimiento impermeable

?? Dovelas ya son el revestimiento definitivo

Se debe disponer puntos de bombeo cada 100 m aproximadamente, para posibilitar el bombeo durante la construcción, Los conductos metálicos trabajan de forma combinada con el sistema de impermeabilización de la solera conectándose al mismo.

Funciona como un drenaje provisional bajo la solera, que permanecerá en servicio después de la colocación de la lámina y del anillo de revestimiento para mantener seca el área de trabajo.

No importante: Otras te´cnicas y chequeos En Francia se ha desarrollado otro sistema de detección de daños con láminas translucidas, capaz de permitir la inspección total de la superficie detrás de la lámina, y el empleo de agua coloreada durante los ensayos de soldadura para encontrar fallos en la misma. Los argumentos en contra de este sistema, serían por un lado, que el uso de geotextiles como protección recomendada entre el terreno y la propia lámina limita las posibilidades de inspección de hormigón proyectado, y por otro, la falta de capa de color para detectar los daños. Asimismo, el empleo de agua en los ensayos de soldadura de la lámina es más caro que el aire, obteniendo una interpretación similar de la calidad del trabajo (6).

Espesor de la lámina La mayoría de Normas en Europa: Lámina de impermeabilización dispone de una capa de otro color para facilitar la detección de los daños de la lámina, antes o después de su colocación. Lámina de 3 mm para túneles con presión de agua 2 mm para túneles sin presión

Otra lámina para proteger lámina de impermeabilización contra los daños que se pueden producir con el transito y el resto de las labores.

Cintas PVC En cada compartimiento se debe instalar una Cinta PVC (600 mm de ancho con 6 ribetes y conductos de inyección), con el objetivo de limitar la posibilidad de entrada de agua al mismo evitando así afectar a centenares de metros del túnel. Las Cintas PVC se sueldan con la propia lámina. Un parámetro importante para la eficacia de las Cintas PVC es la completa integración de los ribetes en el hormigón (especialmente en corona). Se colocan Cintas PVC que permiten la inyección posterior, posibilitando así, el relleno de las cavidades entre la Cinta PVC y el hormigón. Para proteger la lámina se disponen las Cintas PVC en la misma posición que las juntas del hormigón de revestimiento, formando así un sistema adicional de sellado con la estructura de hormigón de revestimiento.

Inyecciones Se disponen instalaciones para una posible inyección posterior. Objetivo de rellenar la junta de contacto entre la lámina y el anillo de revestimiento de hormigón en el caso de que se detecte un fallo en la superficie de sellado.

DRENAJE PARCIAL El drenaje parcial se aplica cuando el agua acumulada no puede extraerse sin ayuda de bombas en los siguientes casos (5): Túneles que retienen agua y tienen restricciones de presión de agua El agua en un túnel se alivia hasta una presión determinada.. Túneles drenados sujetos a pequeñas presiones locales debidas a obstrucciones en el flujo del agua.

TÚNELES DRENADOS

En el caso de columnas de agua elevadas con presiones de agua asociadas importantes

posiblemente sólo un túnel drenado puede cumplir los requerimientos

La evacuación de filtraciones se debe garantizar para toda la vida de servicio la bóveda del túnel no precisaría estar diseñada para soportar presiones de agua Un relleno puede reducir pequeñas filtraciones en el túnel durante la ejecución.

ESPECIFICACIONES PARA LÁMINAS Rigidez, flexibilidad y soldadura La soldadura para mantener la continuidad de la superficie de impermeabilización. Un defecto en la soldadura provocaría una filtración en el túnel con resultados fatales en el caso de condiciones con presión de agua. La flexibilidad relacionado con el módulo Módulo de Elasticidad Para PVC-P flexible será ≤ 30 N/mm2 = 300 kg/cm2 FPO rígido ≤ 100 N/mm2 = 1000 kg/cm2

Resistencia a tracción y alargamiento Especificaciones recomendadas para el alargamiento en la rotura: PVC-P > 12 N/mm2 (250 %) y para TPO > 15 N/mm2 (500 %), lo que garantiza un mínimo de resistencia mecánica para su aplicación. Para la interpretación del comportamiento del material y su uso en el campo de los túneles, se recomienda ensayar el alargamiento biaxial (biaxial burst pressure test) del material de acuerdo con la Norma FET 365 (Normativa Austriaca).

La posibilidad de alargamiento biaxial para puentear fisuras o roturas es la mayor ventaja de las láminas plásticas de sellado. En este sentido, la elasticidad del material es importante, especialmente en el caso de movimientos durante las fases constructivas por cambios de temperatura o cargas dinámicas.

Resistencia al fuego En trabajos subterráneos o zonas cerradas se precisa un mínimo de retardo en la aparición de llama ante la posibilidad de que se presente una combustión accidental durante la colocación. El retraso en la llama es sólo necesario durante la colocación y no tiene influencia una vez concluido el anillo de hormigón de revestimiento. Conforme a la normativa suiza y austriaca, la lámina debe ser autoextinguible. El TPO se puede formular con aditivos apropiados para el retraso de la llama. De forma adicional a la mayoría de las normativas internacionales, la Norma SIA V 280 presenta una clasificación de comportamiento frente al humo. La intensidad del humo es un factor clave en caso de rescates de emergencia.

Fijación de las láminas Se colocan discos en la superficie de hormigón proyectado para permitir un soporte adecuado y un acoplamiento robusto en toda la superficie proyectada. La lámina de impermeabilización se coloca con una holgura suficiente para prevenir sobretensiones durante el hormigonado. Se han desarrollado nuevos sistemas de colocación, como por ejemplo el sistema de colocación rápido con Velcro, el sistema de soldadura caliente, el sistema de aire caliente, etc., que permiten junto con los carros de colocación automática fijar láminas de 4 m de ancho reduciendo así los cordones de soldadura y aumentando la calidad final.

Geotextiles Dado que las láminas son sensibles a los daños mecánicos, se debe colocar un geotextil entre el terreno y la propia lámina para proteger a esta última. El geotextil crea una superficie de deslizamiento para la lámina con el objetivo de evitar esfuerzos en la misma y permitir movimientos de la estructura de hormigón causados por temperatura, asientos, cargas dinámicas, etc. evitando así también pequeñas fisuras en el anillo de hormigón. El geotextil debe ser suficientemente robusto de modo que no quede tenso reduciéndose localmente su sección durante la colocación debido al hormigonado del anillo de revestimiento. El geotextil no tiene una función de drenaje ??????. Por lo que no serán necesarios requerimientos relativos a la capacidad en el plano. Debe presentar una resistencia suficiente a los ácidos y los productos alcalinos. En el pasado era habitual colocar geotextiles con una masa de 500 g/m². Las nuevas recomendaciones: colocar un geotextil no tejido de polipropileno con un 1% de materiales sintéticos y una masa de 500 g/m² – 1.000 g/m² en función del terreno. Por otro lado, el ajuste y consecuentemente el espacio entre la lámina y el hormigón proyectado debe ser lo más reducido posible.

Hormigón La mayor parte de los túneles se revisten con hormigón armado bombeado. La colocación del anillo: Dos etapas: Hormigonado de la solera en tramos de 10 a 12 m y espesor 45 a 65 cm Hormigonado de la bóveda, en tramos entre 10 y 12 m y espesor 35 a 60 cm.

Principalmente las zonas dañadas se detectan en la corona y en las zonas de juntas. La lámina puede sufrir esfuerzos importantes debido al hormigón de la bóveda. Para prevenir áreas defectuosas en el anillo de hormigón, se rellenan las fisuras en la corona una vez finalizado el hormigonado de revestimiento, empleando por ejemplo inyecciones de lechada de cemento a través de conductos previamente dispuestos en la lámina.

5.- BIBLIOGRAFÍA 1.- HAACK Further Developments in Sealing Tunnels constructed by Mining Means, In: tunnel 3/2005, S. 16-22 (2005) 2.- BAUMANN Drainage Pipes in Tunnelling. In: tunnel 5/2003, S. 38-41 (2003) 3.- BACCHELLI Best material for lining tunnels. In: Tunnels & Tunnelling International, May 2000, S. 46-48 (2000) 4.- LEMKE/BRACHER/KLAPPERICH Tunnel under difficult conditions - waterproofing systems. In: Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Heft 2005-1, Review 2004 - Research Reports- Invited Lectures „Geotechnical Seminar“, S. 325-333 (2005) 5.- CHABOT Draining underground Tunnels, In: tunnel 2/2002, S. 18-24 (2002) 6.- STUVA Untersuchung der Möglichkeit zur Nahtprüfung bei einlagigen Kunststoffabdichtungen im Tunnelbau, In: STUVA Forschungsbericht, 12/79 (1979)

7.- KOMMA Recognitions from the new Cologne-Rhine/Main Rail Rout. In: tunnel 8/2001, S. 57-59 (2001) 8.- KIRSCHKE Fortschritte und Fehlentwicklungen bei der Tunnelentwässerung. In: geotechnik 24, Nr. 1, S.42-50 (2001) 9.- FLÜELER/FARSHAD/LÖWE/KRAMER/BÖHNI/ZWICKY New evaluation procedure of the waterproofing systems for the Swiss Alpine base tunnels. In: (Re) Claiming the Underground Space, Saveur (ed.), 2003, Swets & Zeitlinger, Lisse, S. 441-447 (2003) 10.- BRUMMERMANN/SCHLÜTTER/BEYER Topical Developments to improve geotextile protection layers for geomembrane sealing in tunnel construction. In: 6. Informations- und Vortragstagung über “Kunststoffe in der Geotechnik", Sonderheft 1999 (1999)

Material Romana: Categorías de estanqueidad de revestimientos de túneles (Haack, 1986): Clase

Propósito

Características

Infiltración (lts/día/m2 )

Goteo (gotas/mín/m 2)

I

Almacenamiento

Absolutamente secos

0.01

0.15

II

Evitar heladas

Seco

0.05

0.70

III

En zonas heladas

Humedad capilar

0.1

1.50

IV

Servicios públicos

Goteos aislados

0.2

3

V

Alcantarillado

Goteo general

0.5

7

Un mililitro = 20 gotas

sin

Las filtraciones son a través de los revestimientos de túneles terminado.

Problemas causados por el hielo en túneles Noriegos, Pedersen (1984):

Formación de hielo en techo, que cae al subir la temperatura

Daños a iluminación

Levantamiento del pavimento

Solución:

Colocación de revestimiento prefabricado separado de las paredes del túnel.

Hielo en calzada

Congelación de los drenes

Otras recomendaciones en túneles ferroviarios: •Parabrisas de los trenes deben ser blindados • Diseñar túneles en alta montaña para la categoría II de HaacK Los caudales durante la construcción pueden ser muy grandes: Infiltraciones previstas durante la construcción de los túneles del proyecto Lesotho (diámetro = 5.1 m y L = 12.85 KM) Estructura geológica Arenisca Contactos arenisca – Basaltos Cruces bajo ríos (en 10 m) Zonas tectonizadas

Infiltración lts/m2/día 5 a 27 53 a 160 1600 265 a 1325

En la construcción en algunos tramos los caudales fueron 4036 lts/m2/día

En Suecia para limitar subsidencias en túneles construidos en arcilla normalmente consolidada, limitan las filtraciones hacia el túneles construidos en rocas igneas subyacentes a capas de arcilla a: •2 lts/min = 2.6 lts/día/m2 para 100 m de túnel de saneamiento (alcantarillado) de 9.6 m2. Este valor está muy por encima de la clase V de HaacK. •6 lts/min = 0.3 lts/día/m2 para 100 m de túnel ferroviario de 9.1 m2 de diámetro. Por encima de la clase IV de Haack.

Nota: Los túneles para comunicaciones deberían diseñarse dentro de las categorías III Y IV

Daños que pueden causar el agua en los túneles TÚNELES FERROVIARIOS

TÚNELES CARRETEROS

Daños a la infraestructura

Daños a túneles carreteros

Arrastres de finos/disolución con creación de huecos entre revestimiento y terreno

Arrastres de finos/disolución con creación de huecos entre revestimiento y terreno

Degradación de los materiales del revestimiento

Degradación del revestimiento de hormigón con arrastre de cal.

Alteración de ligantes de fábricas Contaminación del balasto.

Colmatación de los sistemas de drenaje por precipitación de la cal arrastrada por el agua. Deterioro grave del pavimento.

Daños a instalaciones

Daños a instalaciones

Daños en la línea aérea

A iluminación

Deterioro de carriles

A líneas de comunicación

Averías en la comunicaciones

señalización

Deterioro en las distribución eléctrica

líneas

y de

Suciedades Entradas de agua Daños a viajeros (afecciones)

Daños a viajeros

Goteras

Goteos sobre coches

Humedades en pavimentos

humedades de pavimento

Humedades en revestimientos

Deterioro del revestimiento

Valores del parámetro agua en la clasificación CEDTES, SAUREZ Y Asensio (1988). Permite tomar decisiones de reparación para tratar las filtraciones o el drenaje en diferentes tiempos. Estado

Valor

Filtración (lts/seg)

Valor

Drenaje plataforma

Valor

Seco

5

Húmedo

15

0 –2.5

5

Bueno

0

Goteo

30

2.5 – 5

11

Deficiente

40

LLuvia

50

>5

33

Nulo

50

Tipo de actuación TIPO DE ACTUACIÓN

DRENAJE

A largo plazo

ESTADO+FILTRACIÓ N 0 – 20

A medio plazo

21 – 49

13 – 29

A corto plazo

50 - 83

30 - 50

0 – 12

El drenaje es lo más exigente

Túnel FEVE en Florida, Rusturia y Fernandez (1988): En algunos tramos el concreto se ha convertido en una pasta sin resistencia, desprendiéndose del techo y paredes. Esto lo a generado las filtraciones hacia el túnel. El PH normal del agua PH = 7, llega a valores entre 2.5 y 4. Las aguas no contienen sulfuros ni sulfatos pero si un porcentaje importante de anhídrido carbónico libre, agresivo a la cal”. Se debe a: La acidez del agua se debe a la presencia de terrenos silíceos (ácido silíceo), bosques y prados (ácido húmico) y a una fotosíntesis del anhídrido carbónico reducida. La reparación consistió de un nuevo revestimiento separado del anterior por una impermeabilización.

En algunos casos las filtraciones son favorables para disminuir la temperatura dentro del túnel: Cuando la temperatura interior sube debido a gradiente

geotérmicos y por circulación de trenes, que pueden superar los 35º. En estos casos además de las entradas de aire y de la extracción del aire caliente, las filtraciones serán un sistema de refrigeración natural.

Ejemplo:

Gradiente geotérmico es la variación de temperatura, es decir gradiente térmico, que se produce en el material de un planeta rocoso (de ahí el prefijo GEO) cuando se avanza desde la superficie hacia el centro por un radio de su esfera, esto es, avanzando perpendicularmente desde la superficie del planeta hacia su interior.

• Túnel ferroviario en Madrid de 5 Km y 400 m de recubrimiento (1995) • Area total del revestimiento 180.000 m2 • Se espera un incremento de temperatura de 10º a 12º por gradiente geotérmico y la circulación de los trenes. • Se espera filtraciones de 18 a 36 m3/ día (estanqueidad clase III a IV de HaacK) • No es razonable proyectar el túnel en forma estanca.

Valores standards de impermeabilización y drenaje de túneles enAustria Capa

Túneles

Sostenimiento

N.M.A

Drenaje con geotextiles

Cavernas N.M.A

500 grs/m2

750 grs/m2

Impermeabilización del PVC

1.5 mm

2 mm

Revestimiento con hormigón en masa

250 mm

350 mm

Los siguientes valores corresponden a determinado geotextil elegido para determinadas condiciones, especialmente la transmisividad. • Resistencia a la rotura

> 10 KNm

• Alargamiento en rotura

> 20%

• Resistencia a punzonamiento

< 15 mm

• Transmisividad (bajo 200 Kpa)

> 10-4 m2seg

• Pérdidas de resistencia Frente a rayos UV

< 5%

Frente a plastificantes

< 20%

Frente a agentes biológicos < 5%