Construcción de túneles

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Los túneles se excavan en tipos de materiales que varían desde arcilla blanda hasta roca dura. El método de construcción de túneles depende de factores como las condiciones del terreno, las condiciones del agua subterránea, la longitud y el diámetro de la perforación del túnel, la profundidad del túnel, la logística para soportar la excavación del túnel, el uso final y la forma del túnel y la gestión adecuada de los riesgos. La construcción de túneles es un subconjunto de la construcción subterránea .

Existen tres tipos básicos de construcción de túneles de uso común:

• Túnel excavado y cubierto, construido en una zanja poco profunda y luego cubierto.
• Túnel perforado, construido in situ, sin remover el terreno de encima. Suelen ser de sección circular o en herradura. Se aplican algunos conceptos de minería subterránea . Las técnicas modernas incluyen el hormigón proyectado utilizado en el nuevo método austríaco de tunelaje , el uso de una tuneladora (TBM) o escudo de tunelaje . Pero aún se construyen túneles que se aseguran con puntales de pozo y apuntalamiento y luego se colocan soportes de hormigón o de contrafuerte. Son útiles las técnicas conocidas de las bóvedas de cañón .
• Túnel de tubo sumergido, hundido en un cuerpo de agua y colocado sobre o enterrado justo debajo de su lecho.

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En 2017, las experiencias muestran que los túneles de metro urbanos con TBM cuestan aproximadamente 500 millones de euros por kilómetro. En Suiza, un kilómetro de túnel de autopista costaba aproximadamente 300 millones de francos suizos, en aquel momento 200 millones de euros. El túnel submarino entre Dinamarca y Alemania está previsto que cueste 425 millones por kilómetro en 2015. ^{[1] [2] [3]}

El método de excavación y cubierta es un método sencillo de construcción de túneles poco profundos en el que se excava una zanja y se cubre con un sistema de soporte elevado lo suficientemente fuerte como para soportar la carga de lo que se va a construir encima del túnel. Existen dos formas básicas de excavación y cubierta de túneles:

• Método de abajo hacia arriba : se excava una zanja, con apoyo de tierra según sea necesario, y se construye el túnel en ella. El túnel puede ser de hormigón in situ, hormigón prefabricado, arcos prefabricados o arcos de acero corrugado; en los primeros tiempos se utilizaba mampostería. A continuación, se rellena cuidadosamente la zanja y se repone la superficie.
• Método de arriba hacia abajo : los muros de soporte laterales y las vigas de cubierta se construyen desde el nivel del suelo mediante métodos como la construcción de muros pantalla o pilotes perforados contiguos. Luego, una excavación superficial permite hacer el techo del túnel con vigas prefabricadas o hormigón in situ. Luego se reconstruye la superficie, excepto las aberturas de acceso. Esto permite la pronta reconstrucción de las calzadas, los servicios y otras características de la superficie. Luego se realiza la excavación debajo del techo permanente del túnel y se construye la losa de base.

Los túneles poco profundos suelen ser del tipo excavado y cubierto (si están bajo el agua, del tipo de tubo sumergido), mientras que los túneles profundos se excavan, a menudo utilizando un escudo de tunelización . Para niveles intermedios, ambos métodos son posibles.

En las estaciones de metro subterráneas , como la de Canary Wharf en Londres, se suelen utilizar grandes cajas de excavación a cielo abierto . Esta forma de construcción suele tener dos niveles, lo que permite disponer de instalaciones económicas para la sala de billetes, los andenes de la estación, el acceso de pasajeros y la salida de emergencia, la ventilación y el control de humos, las salas de personal y las salas de equipos. El interior de la estación de Canary Wharf se ha comparado con una catedral subterránea, debido al gran tamaño de la excavación. Esto contrasta con muchas estaciones tradicionales del metro de Londres , donde se utilizaban túneles excavados para las estaciones y el acceso de pasajeros. Sin embargo, las partes originales de la red del metro de Londres, los ferrocarriles metropolitanos y de distrito, se construyeron utilizando excavaciones a cielo abierto. Estas líneas eran anteriores a la tracción eléctrica y la proximidad a la superficie era útil para ventilar el inevitable humo y vapor.

Una de las principales desventajas de los túneles excavados y cubiertos es la perturbación generalizada que se genera en la superficie durante la construcción. Esto, junto con la disponibilidad de tracción eléctrica, provocó que el metro de Londres cambiara a túneles excavados a un nivel más profundo hacia finales del siglo XIX.

Las tuneladoras y los sistemas de apoyo asociados se utilizan para automatizar en gran medida todo el proceso de construcción de túneles, lo que reduce los costes de construcción. En determinadas aplicaciones predominantemente urbanas, la perforación de túneles se considera una alternativa rápida y rentable a la construcción de vías y carreteras en la superficie. Se elimina la costosa compra obligatoria de edificios y terrenos, con los posibles trámites de planificación largos. Las desventajas de las tuneladoras surgen de su tamaño, que suele ser grande: la dificultad de transportar la gran tuneladora al lugar de construcción del túnel o (alternativamente) el alto coste de montaje de la tuneladora en el lugar, a menudo dentro de los confines del túnel que se está construyendo.

Existen diversos diseños de tuneladoras que pueden operar en diversas condiciones, desde roca dura hasta terreno blando con agua. Algunos tipos de tuneladoras, las de lodo de bentonita y las de equilibrio de presión de tierra, tienen compartimentos presurizados en el extremo delantero, lo que permite utilizarlas en condiciones difíciles por debajo del nivel freático . Esto presuriza el suelo delante del cabezal de corte de la tuneladora para equilibrar la presión del agua. Los operadores trabajan con una presión de aire normal detrás del compartimento presurizado, pero ocasionalmente pueden tener que entrar en ese compartimento para renovar o reparar los cortadores. Esto requiere precauciones especiales, como el tratamiento local del suelo o detener la tuneladora en una posición libre de agua. A pesar de estas dificultades, ahora se prefieren las tuneladoras al antiguo método de excavación de túneles con aire comprimido, con una esclusa de aire /cámara de descompresión a cierta distancia de la tuneladora, que requería que los operadores trabajaran a alta presión y pasaran por procedimientos de descompresión al final de sus turnos, de manera muy similar a los buceadores de aguas profundas .

En febrero de 2010, Aker Wirth entregó una tuneladora a Suiza para la ampliación de las centrales eléctricas de Linth-Limmern, situadas al sur de Linthal, en el cantón de Glaris . El pozo tiene un diámetro de 8,03 metros (26,3 pies). ^{[4] Las cuatro tuneladoras utilizadas para excavar el} túnel de base del San Gotardo , de 57 kilómetros (35 millas) , en Suiza , tenían un diámetro de unos 9 metros (30 pies). Se construyó una tuneladora más grande para perforar el túnel Green Heart (en neerlandés: Tunnel Groene Hart) como parte del HSL-Zuid en los Países Bajos, con un diámetro de 14,87 metros (48,8 pies). ^[5] Esta, a su vez, fue sustituida por la circunvalación de Madrid M30 , España , y los túneles de Chong Ming en Shanghái , China . Todas estas máquinas fueron construidas, al menos en parte, por Herrenknecht . En enero de 2023 ^[actualizar], la TBM más grande por diámetro de cabeza jamás construida fue la TBM Tuen Mun–Chek Lap Kok , una máquina de 17,6 metros (58 pies) de diámetro construida por Herrenknecht para el enlace Tuen Mun-Chek Lap Kok en Hong Kong . ^[6]

El aporreado de arcilla es un método especializado desarrollado en el Reino Unido para cavar túneles en estructuras de suelos arcillosos resistentes. A diferencia de los métodos manuales anteriores en los que se utilizaban azadones que dependían de que la estructura del suelo fuera dura, el aporreado de arcilla era relativamente silencioso y, por lo tanto, no dañaba las estructuras de arcilla blanda. El aporreador de arcilla se coloca sobre una tabla en un ángulo de 45 grados con respecto a la superficie de trabajo e inserta una herramienta con un extremo redondeado en forma de copa con las patas. Al girar la herramienta manualmente, el aporreador extrae una sección de tierra, que luego se coloca sobre el extractor de desechos.

Utilizado en la ingeniería civil victoriana , el método encontró su favor en la renovación de los antiguos sistemas de alcantarillado de Gran Bretaña , al no tener que eliminar todas las propiedades o infraestructuras para crear un pequeño sistema de túneles. Durante la Primera Guerra Mundial , el sistema fue utilizado por las empresas de construcción de túneles de Royal Engineer para colocar minas debajo de las líneas del Imperio Alemán . El método era prácticamente silencioso y, por lo tanto, no susceptible a los métodos de detección por escucha. ^[7]

En ocasiones, durante la excavación de un túnel es necesario construir un pozo de acceso temporal . Normalmente, estos pozos son circulares y descienden en línea recta hasta llegar al nivel en el que se va a construir el túnel. Normalmente, los pozos tienen paredes de hormigón y se construyen para que sean permanentes. Una vez que se han completado los pozos de acceso, se bajan las tuneladoras hasta el fondo y se puede comenzar la excavación. Los pozos son la entrada y salida principal del túnel hasta que se completa el proyecto. Si el túnel va a ser largo, se pueden perforar varios pozos en varios lugares para que la entrada al túnel esté más cerca del área no excavada. ^[8]

Una vez finalizada la construcción, los pozos de acceso a la construcción se utilizan a menudo como pozos de ventilación y también pueden usarse como salidas de emergencia. ^[9]

El Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM, por sus siglas en inglés) se desarrolló en la década de 1960 y es el más conocido de una serie de prácticas de ingeniería que utilizan mediciones calculadas y empíricas para proporcionar un soporte seguro al revestimiento del túnel. La idea principal de este método es utilizar la tensión geológica de la masa rocosa circundante para estabilizar el túnel, permitiendo una relajación medida y una reasignación de la tensión en la roca circundante para evitar que se impongan cargas totales sobre los soportes. Con base en mediciones geotécnicas , se calcula una sección transversal óptima . La excavación está protegida por una capa de hormigón proyectado, comúnmente conocido como hormigón proyectado . Otras medidas de soporte pueden incluir arcos de acero, pernos de roca y malla. Los avances tecnológicos en la tecnología del hormigón proyectado han dado como resultado que se agreguen fibras de acero y polipropileno a la mezcla de hormigón para mejorar la resistencia del revestimiento. Esto crea un anillo de carga natural, que minimiza la deformación de la roca .

El método NATM es flexible gracias a un control especial , incluso en caso de cambios inesperados en la consistencia geomecánica de la roca durante la excavación del túnel. Las propiedades medidas de la roca permiten obtener herramientas adecuadas para el refuerzo del túnel . En las últimas décadas, también se han hecho habituales las excavaciones en terrenos blandos de hasta 10 kilómetros.

En la perforación de tuberías , se utilizan gatos hidráulicos para empujar tuberías especialmente fabricadas a través del suelo detrás de una tuneladora o escudo. Este método se utiliza habitualmente para crear túneles bajo estructuras existentes, como carreteras o ferrocarriles. Los túneles construidos mediante perforación de tuberías suelen ser perforaciones de diámetro pequeño con un tamaño máximo de alrededor de 3,2 metros (10 pies).

El hincado de cajas es similar al hincado de tuberías, pero en lugar de hincar tubos, se utiliza un túnel en forma de caja. Las cajas hincadas pueden tener una longitud mucho mayor que un gato de tuberías, y la longitud de algunos gatos de caja supera los 20 metros (66 pies). Normalmente se utiliza un cabezal de corte en la parte delantera de la caja que se está hincando y la eliminación de escombros normalmente se realiza mediante una excavadora desde el interior de la caja. Los desarrollos recientes del arco hincado y la plataforma hincada han permitido instalar estructuras más largas y de mayor tamaño con una precisión cercana. El paso subterráneo de 126 m de largo y 20 m de luz libre debajo de las líneas ferroviarias de alta velocidad en Cliffsend en Kent, Reino Unido.

También existen varios enfoques para la construcción de túneles submarinos, siendo los dos más comunes los túneles perforados o los tubos sumergidos , como por ejemplo el túnel de Bjørvika y el de Marmaray . Los túneles flotantes sumergidos son un enfoque novedoso que se está considerando; sin embargo, hasta la fecha no se ha construido ningún túnel de este tipo.

Para reducir el impacto medioambiental de las autopistas o las vías férreas se utiliza un nuevo tipo de túneles: los túneles terrestres. No son túneles subterráneos, sino que se construyen a nivel del suelo. La zona urbana próxima al túnel se puede elevar con tierra o edificios (por ejemplo, aparcamientos) para mejorar la integración del túnel en el área inmediata. Un buen ejemplo de este tipo de túnel terrestre es el túnel de la autopista A2 en Leidsche Rijn, cerca de la ciudad holandesa de Utrecht. ^[10]

Durante la construcción de un túnel, suele ser conveniente instalar una vía provisional, sobre todo para retirar los escombros de las excavaciones , que suele ser de vía estrecha para poder disponer de doble vía y permitir la circulación de trenes vacíos y cargados al mismo tiempo. La vía provisional se sustituye por la vía permanente al finalizar la obra, de ahí el nombre de " Perway ".

Los vehículos o el tráfico que utilizan un túnel pueden sobrepasarlo, siendo necesario reemplazarlo o ampliarlo:

• El túnel de doble vía de 1832 de una milla de largo desde Edge Hill hasta Lime Street en Liverpool fue eliminado casi por completo, a excepción de una sección de 50 metros en Edge Hill y una sección más cercana a Lime Street, ya que se necesitaban cuatro vías. El túnel se excavó en un corte muy profundo de cuatro vías, con túneles cortos en algunos lugares a lo largo del corte. Los servicios de trenes no se interrumpieron a medida que avanzaba la obra. ^{[11] [12]} Hay otros casos de túneles reemplazados por cortes abiertos, por ejemplo, el túnel de Auburn .
• El túnel Farnworth en Inglaterra fue ampliado utilizando una tuneladora (TBM) en 2015. ^[13] El túnel Rhyndaston fue ampliado utilizando una TBM prestada para poder recibir contenedores ISO .

Un pozo de construcción abierto consta de un límite horizontal y uno vertical que impiden que el agua subterránea y el suelo entren en el pozo. Existen varias alternativas y combinaciones posibles para los límites de pozo de construcción (horizontales y verticales). La diferencia más importante con el pozo de construcción a cielo abierto es que el pozo de construcción abierto se silencia después de la construcción del túnel; no se coloca techo. ^{[ cita requerida ]}

• Microtunelización
• Perforación y voladura
• Divisor hidráulico