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MANUAL MANUAL DE DE DISEÑO, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, CONSTRUCCIÓN, OPERACIÓN OPERACIÓN YY MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO PARA PARA TÚNELES TÚNELES DE DE CARRETERA CARRETERA EN EN COLOMBIA COLOMBIA

PRIMERA EDICIÓN 2015

Instituto Nacional de Vías – Manual de Diseño, Construcción, Operación y Mantenimiento de Túneles de Carretera para Colombia

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Instituto Nacional de Vías – Manual de Diseño, Construcción, Operación y Mantenimiento de Túneles de Carretera para Colombia

MANUAL DE DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA TÚNELES DE CARRETERA EN COLOMBIA

TABLA DE CONTENIDOS 1

MARCO NORMATIVO Y REGULATORIO ........................................ 1-1

1.1 1.2 1.3 1.4

ALCANCE Y OBJETIVOS DEL MANUAL ...................................................1-1 CONSIDERACIONES .................................................................................1-1 ORGANIZACIÓN DEL MANUAL .................................................................1-2 LEYES, DECRETOS Y NORMATIVIDAD NACIONAL ................................1-3

2

DEFINICIONES .................................................................................. 2-7

2.1 GLOSARIO .................................................................................................2-7 2.2 PROYECTO DE TÚNELES .........................................................................2-8 2.2.1 Planeación .................................................................................................2-8 2.2.1.1 Aspectos Básicos de la Planeación ..................................................................................... 2-9

2.2.2

Estudios y Diseños ..................................................................................2-10

2.2.2.1 Fase I................................................................................................................................. 2-10 2.2.2.2 Fase II................................................................................................................................ 2-10 2.2.2.3 Fase III (para licitación)..................................................................................................... 2-11

2.2.3 2.2.4

3

Fase de Construcción ..............................................................................2-11 Operación y Mantenimiento .....................................................................2-12

INVESTIGACIÓN Y EXPLORACIÓN ................................................. 3-1

3.1 GLOSARIO .................................................................................................3-1 3.2 GENERALIDADES ......................................................................................3-4 3.2.1 Aspectos Básicos de la Investigación ........................................................3-5 3.3 INVESTIGACIÓN Y EXPLORACIÓN DEL TERRENO................................3-5 3.3.1 Modelo Geológico, Geotécnico e Hidrogeológico ......................................3-5 3.3.2 Fuentes de Información Secundaria ..........................................................3-6 3.3.3 Planeación de la Exploración del Terreno .................................................3-7 3.3.3.1 Ubicación y profundidad de la exploración........................................................................ 3-8 3.3.3.1 Mapeo de campo ............................................................................................................... 3-9 3.3.3.2 Muestreo .......................................................................................................................... 3-10 3.3.3.3 Ensayos de laboratorio ..................................................................................................... 3-10 3.3.3.3.1 Suelos ................................................................................................................. 3-11 3.3.3.3.2 Roca intacta ........................................................................................................ 3-13 3.3.3.3.3 Macizo Rocoso.................................................................................................... 3-14

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3.3.3.3.4 Discontinuidades y Macro estructura ................................................................ 3-14 3.3.3.3.5 Características de resistencia de la roca y roca intacta...................................... 3-14 3.3.3.4 Número de ensayos ......................................................................................................... 3-15 3.3.3.5 Métodos geofísicos .......................................................................................................... 3-15 3.3.3.6 Perforaciones exploratorias ............................................................................................. 3-16 3.3.3.6.1 Registro de la perforación .................................................................................. 3-17 3.3.3.6.2 Registro de núcleos de perforación ................................................................... 3-18 3.3.3.6.3 Ensayos y métodos de evaluación dentro de la perforación ............................. 3-20 3.3.3.7 Ensayos “in-situ” .............................................................................................................. 3-21

3.3.4

Investigaciones en la Fase I ....................................................................3-21

3.3.4.1 Reconocimientos de campo ............................................................................................. 3-22 3.3.4.2 Alcances de la campaña de exploración (fase I) .............................................................. 3-22

3.3.5 3.3.6

Investigaciones en la Fase II ...................................................................3-23 Investigaciones en la Fase III ..................................................................3-25

3.3.6.1 Geología ........................................................................................................................... 3-25 3.3.6.2 Perforaciones ................................................................................................................... 3-26 3.3.6.1 Sísmica .............................................................................................................................. 3-26

3.4 COMPONENTE HIDROGEOLÓGICO ......................................................3-28 3.4.1 Personal Sugerido ...................................................................................3-29 3.4.2 Balance Hídrico .......................................................................................3-30 3.4.3 Inventario de Puntos de Agua .................................................................3-31 3.4.4 Muestreo Físico-Químico.........................................................................3-33 3.4.5 Parámetros Hidráulicos: Pruebas de Bombeo .........................................3-34 3.4.6 Direcciones de Flujo ................................................................................3-36 3.4.7 Mapa Hidrogeológico ...............................................................................3-36 3.4.8 Vulnerabilidad de Acuíferos .....................................................................3-36 3.4.9 Etapas del Modelo Hidrogeológico ..........................................................3-37 3.4.10 Instrumentación de Niveles de Agua Subterránea en la Fase de Construcción 3-38 3.5 INVESTIGACIÓN DE CONDICIONES AMBIENTALES ............................3-39

4

DISEÑO .............................................................................................. 4-1

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2

GLOSARIO .................................................................................................4-1 GENERALIDADES ......................................................................................4-6 ASPECTOS DEL DISEÑO ..........................................................................4-8 DISEÑO GEOMÉTRICO .............................................................................4-9 Criterios para la Localización del Túnel .....................................................4-9 Diseño Geométrico en Planta ..................................................................4-10

4.4.2.1 Radio mínimo de curvatura .............................................................................................. 4-11

4.4.3 4.4.4

Diseño Geométrico en Perfil ....................................................................4-13 Secciones Transversales de Servicio ......................................................4-14

4.4.4.1 Secciones del cuerpo del túnel ........................................................................................ 4-15 4.4.4.2 Bahías de parqueo............................................................................................................ 4-16 4.4.4.1 Galerías de evacuación..................................................................................................... 4-17

4.4.5

Nichos .....................................................................................................4-19

4.4.5.1 Nichos de emergencia SOS ............................................................................................... 4-19

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4.4.5.1 Nichos de control de incendio ......................................................................................... 4-19 4.4.5.2 Nichos equipos eléctricos................................................................................................. 4-21

4.5 DISEÑO GEOMECÁNICO ........................................................................4-22 4.5.1 Generalidades .........................................................................................4-22 4.5.2 Procedimiento para el Diseño..................................................................4-23 4.5.2.1 4.5.2.1 4.5.2.1 4.5.2.2 4.5.2.3 4.5.2.4 4.5.2.5 4.5.2.6

4.5.3 4.5.4

Propiedades del Tipo de Terreno (Parámetros geotécnicos relevantes) ......................... 4-23 Factores que influencian la excavación............................................................................ 4-23 Determinación del Comportamiento del Terreno. .......................................................... 4-24 Evaluación de las Condiciones Locales ............................................................................. 4-26 Definición de los Requerimientos del proyecto (RQ) ....................................................... 4-27 Evaluación del Comportamiento del Sistema .................................................................. 4-27 Determinación detallada de medidas constructivas y del Comportamiento del Sistema4-27 Determinación y distribución de Sistemas de Soporte .................................................... 4-29

Nomenclatura Propuesta para los Sistemas de Soporte .........................4-30 Reporte Geotécnico del Diseño ...............................................................4-32

4.5.4.1 Esquema de diseño para construcción ............................................................................ 4-34

4.6 PLAN DE SEGURIDAD GEOTÉCNICA PARA CONSTRUCCIÓN ...........4-34 4.6.1 Generalidades .........................................................................................4-34 4.6.2 Contenidos del Plan de Seguridad Geotécnica para Construcción .........4-35 4.6.3 Programa de Monitoreo ...........................................................................4-39 4.6.3.1 Esquemas típicos para monitoreo de túneles .................................................................. 4-39 4.6.3.2 Distancias típicas entre secciones de monitoreo ............................................................. 4-42 4.6.3.3 Frecuencia de lecturas ..................................................................................................... 4-43 4.6.3.3.1 Túneles ............................................................................................................... 4-43 4.6.3.3.2 Túneles con baja cobertura ................................................................................ 4-44 4.6.3.3.3 Monitoreo durante otras actividades de excavación......................................... 4-44 4.6.3.3.4 Monitoreo a largo plazo ..................................................................................... 4-45

4.6.4

Métodos de Monitoreo .............................................................................4-45

4.6.4.1 Monitoreo de desplazamientos absolutos en 3D ............................................................ 4-45 4.6.4.1.1 Requerimientos generales ................................................................................. 4-46 4.6.4.1.2 Requerimientos de la estación total .................................................................. 4-47 4.6.4.1.3 Requerimientos de los prismas y puntos reflectantes ....................................... 4-49 4.6.4.1.4 Instalación y proceso de medición en el túnel ................................................... 4-49 4.6.4.1.5 Instalación y proceso de medición en superficie ............................................... 4-52 4.6.4.2 Extensómetros ................................................................................................................. 4-52 4.6.4.2.1 Instalación y requerimientos .............................................................................. 4-52 4.6.4.3 Extensómetros y deformímetros (Strain gauges) ............................................................ 4-53 4.6.4.3.1 Deformímetros ................................................................................................... 4-53 4.6.4.3.2 Extensómetro de cuerda vibrante y de fibra óptica........................................... 4-53 4.6.4.3.3 Extensómetro de fibra óptica ............................................................................. 4-53 4.6.4.3.4 Instalación .......................................................................................................... 4-54 4.6.4.4 Medición de orientación y localización de discontinuidades .......................................... 4-54 4.6.4.4.1 Mapeo manual y por medio de modelos digitales ............................................. 4-54 4.6.4.4.2 Requerimientos .................................................................................................. 4-54 4.6.4.5 Piezómetros...................................................................................................................... 4-54 4.6.4.5.1 Instalación y requerimientos .............................................................................. 4-55 4.6.4.6 Clinómetro y electro niveles ............................................................................................ 4-58 4.6.4.7 Célula de carga para anclajes ........................................................................................... 4-58

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4.6.4.8 Inclinómetros ................................................................................................................... 4-58

4.7 MEDIDAS DE SOPORTE .........................................................................4-58 4.7.1 Concreto lanzado ....................................................................................4-59 4.7.2 Pernos de Anclaje ...................................................................................4-60 4.7.3 Arcos metálicos o reticulados ..................................................................4-61 4.7.4 Elementos dúctiles ..................................................................................4-62 4.7.5 Métodos Auxiliares ..................................................................................4-62 4.7.5.1 Mejoramiento del terreno ............................................................................................... 4-62 4.7.5.1.1 Inyecciones ......................................................................................................... 4-63 4.7.5.1.2 Inyección de consolidación mediante la utilización del método Jet Grouting... 4-63 4.7.5.1.3 Congelamiento del terreno (Ground freezing) ................................................... 4-64 4.7.5.2 Refuerzo del terreno ........................................................................................................ 4-65 4.7.5.2.1 Paraguas de tubos (enfilajes) ............................................................................. 4-65 4.7.5.3 Pernos (Spilling) hacia adelante ....................................................................................... 4-66 4.7.5.4 Instalación de pernos en el frente de excavación del túnel ............................................ 4-67 4.7.5.5 Abatimiento y drenaje...................................................................................................... 4-68 4.7.5.5.1 Monitoreo continuo ........................................................................................... 4-69

4.8 REVESTIMIENTO DEFINITIVO ................................................................4-70 4.8.1 Generalidades .........................................................................................4-70 4.8.2 Posibles Configuraciones para el Revestimiento Definitivo .....................4-71 4.8.3 Fundamentos del Diseño del Revestimiento Definitivo ............................4-72 4.8.4 Determinación de la Susceptibilidad del Terreno y los Materiales de Construcción a Cambios en el Largo Plazo .........................................................4-73 4.8.4.1 Susceptibilidad del terreno .............................................................................................. 4-73 4.8.4.2 Susceptibilidad de los materiales de construcción. ......................................................... 4-74

4.8.5

Recomendaciones Generales para el Diseño. ........................................4-76

4.8.5.1 Deterioro del terreno ....................................................................................................... 4-77 4.8.5.2 Deterioro de los materiales de construcción ................................................................... 4-77

4.8.6 Requerimientos Generales para las Diferentes Configuraciones de Revestimiento ......................................................................................................4-78 4.8.6.1 Revestimiento de Capa Sencilla (RCS) .............................................................................. 4-78 4.8.6.2 Revestimiento de Capa Compuesta (RCC) ....................................................................... 4-79 4.8.6.1 Revestimiento de Capa Doble (RCD) ................................................................................ 4-80

4.9 IMPERMEABILIZACIÓN Y DRENAJE ......................................................4-82 4.9.1 Generalidades .........................................................................................4-82 4.9.2 Impermeabilización ..................................................................................4-82 4.9.2.1 4.9.2.2 4.9.2.3 4.9.2.4 4.9.2.5

4.9.3

Drenaje ....................................................................................................4-86

4.9.3.1 4.9.3.2 4.9.3.3 4.9.3.4

4.10

Superficie de soporte o fijación de la lámina o membrana impermeable ....................... 4-82 Lámina o membrana impermeabilizante ......................................................................... 4-83 Lámina o membrana impermeabilizante alternativa ....................................................... 4-84 Fieltro de protección ........................................................................................................ 4-85 Accesorios de fijación ....................................................................................................... 4-85 Filtro recolector de aguas de infiltración. ........................................................................ 4-86 Drenaje de aguas de derrame y lavado............................................................................ 4-87 Tampa de grasa ................................................................................................................ 4-87 Tanque de almacenamiento de sustancias peligrosas ..................................................... 4-88

PORTALES PARA TÚNELES ...................................................................4-88

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4.10.1 Tipología de Portales ...............................................................................4-89 4.10.1.1 4.10.1.2 4.10.1.3 4.10.1.4 4.10.1.5 4.10.1.6

Portal en “V” o encajonado ........................................................................................ 4-89 Portales en “L” o a media ladera ................................................................................ 4-90 Portales en “C” o sesgados......................................................................................... 4-91 Portales en “T” o perpendiculares ............................................................................. 4-92 Portales en “U” o herradura....................................................................................... 4-93 Portales en “E” o estructurales .................................................................................. 4-94

4.10.2 Diseño de Portales ..................................................................................4-95 4.10.2.1 4.10.2.2 4.10.2.3 4.10.2.4

Elementos de un portal .............................................................................................. 4-96 Métodos de diseño aceptados para análisis de taludes y portales ........................... 4-97 Factores de seguridad ................................................................................................ 4-99 Determinación del coeficiente de aceleración para análisis pseudo-estáticos Kh ... 4-100

4.11 DOCUMENTOS ENTREGABLES Y ACTIVIDADES PARA CADA FASE EN LA ETAPA DE ESTUDIOS Y DISEÑOS ..............................................................4-103 4.11.1 Estructura del Informe ...........................................................................4-104 4.11.2 Fase l .....................................................................................................4-108 4.11.3 Fase lI ....................................................................................................4-111 4.11.4 Fase lII (Diseño para Licitación) ............................................................4-114 4.11.5 Fase de Construcción ............................................................................4-118

5

EQUIPAMENTO Y SISTEMAS ELECTROMECÁNICOS .............. 5-119

5.1 GLOSARIO .............................................................................................5-119 5.2 ALCANCE ...............................................................................................5-121 5.3 REFERENCIAS Y NORMAS ...................................................................5-121 5.4 CONCEPTO GENERAL DE SEGURIDAD..............................................5-122 5.5 ANÁLISIS DE RIESGO Y CONCEPTO DE SEGURIDAD ......................5-123 5.6 GEOMETRÍA DEL TÚNEL ......................................................................5-126 5.6.1 Restricciones de Uso del Túnel .............................................................5-126 5.6.2 Medidas Estructurales Pertinentes para la Seguridad ...........................5-127 5.6.3 Espacio para el Equipamiento ...............................................................5-128 5.7 COMPONENTES ELECTROMECANICOS EN TÚNELES DE CARRETERAS .....................................................................................................5-128 5.8 DEFINICIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTROMECANICOS ...................5-131 5.8.1 Arquitectura General .............................................................................5-131 5.8.1.1 Nivel I (Nivel de operación y control) ............................................................................. 5-131 5.8.1.2 Nivel II (Nivel de automatización) .................................................................................. 5-134 5.8.1.3 Nivel III (Nivel de equipamiento en campo):.................................................................. 5-135

5.9 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN .......................................................5-135 5.9.1 General ..................................................................................................5-135 5.9.2 Arquitectura ...........................................................................................5-136 5.9.3 Controladores Lógicos Programables PLC ...........................................5-138 5.9.4 Sistema SCADA ....................................................................................5-139 5.9.5 Programación ........................................................................................5-142 5.9.6 Comunicación con el Centro de Control ................................................5-142

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5.10 SISTEMA ELÉCTRICO ...........................................................................5-143 5.10.1 Sistema Eléctrico Media Tensión. .........................................................5-143 5.10.2 Sistema Eléctrico Baja Tensión .............................................................5-145 5.10.3 Transformadores de Distribución y Potencia. ........................................5-146 5.10.4 Celdas de Media Tensión ......................................................................5-147 5.11 SISTEMAS DE VENTILACIÓN ...............................................................5-150 5.11.1 Generalidades .......................................................................................5-150 5.11.2 Ventilación natural .................................................................................5-152 5.11.3 Ventilación Mecánica o Ventilación Forzada .........................................5-152 5.11.3.1 5.11.3.2 5.11.3.3

Ventilación longitudinal ........................................................................................... 5-153 Ventilación semi-transversal .................................................................................... 5-154 Ventilación transversal ............................................................................................. 5-155

5.11.4 Operación Normal .................................................................................5-156 5.11.5 Operación de Emergencia .....................................................................5-158 5.11.6 Tipo de Ventilación ................................................................................5-159 5.11.7 Memorias de Cálculo .............................................................................5-159 5.11.8 Simulación CFD (Computacional Dinámico de Fluídos) ........................5-162 5.11.9 Equipamiento del Sistema de Ventilación. ............................................5-162 5.12 SISTEMAS DE SENSORES AMBIENTALES .........................................5-163 5.12.1 CO (Monóxido de Carbono):..................................................................5-163 5.12.2 NOx (Monóxido Nitroso y Dióxido Nitroso) ............................................5-164 5.12.3 VIS (Visibilidad) .....................................................................................5-164 5.12.4 VE (Velocidad del Aire, anemómetros) ..................................................5-164 5.12.5 Variadores de velocidad ........................................................................5-165 5.13 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN ................................................................5-165 5.13.1 Generalidades .......................................................................................5-166 5.13.2 Iluminación Permanente ........................................................................5-168 5.13.3 Iluminación de Seguridad ......................................................................5-168 5.13.4 Iluminación de Evacuación ....................................................................5-168 5.14 SEGURIDAD DE INCENDIOS ................................................................5-169 5.14.1 Solución y Equipamiento .......................................................................5-170 5.14.2 Protección de Elementos Estructurales .................................................5-170 5.14.3 Equipos..................................................................................................5-171 5.14.3.1 5.14.3.2 5.14.3.3 5.14.3.4 5.14.3.5 5.14.3.6 5.14.3.7 5.14.3.8 5.14.3.9

Teléfonos de emergencia, SOS ................................................................................. 5-171 Características del Sistema de Protección de Incendio............................................ 5-172 Suministro de agua, conexiones de tubería vertical e hidrantes ............................. 5-173 Sistema de supresión de incendios .......................................................................... 5-175 Detectores de calor .................................................................................................. 5-177 Estación manual ....................................................................................................... 5-178 Detector de humo .................................................................................................... 5-178 Sirenas ...................................................................................................................... 5-178 Panel de control de alarma de incendio. ................................................................. 5-179

5.14.4 Arquitectura ...........................................................................................5-179 5.15 SISTEMAS DE CONTROL DE TRÁFICO ...............................................5-179 5.15.1 Equipamiento Limitado ..........................................................................5-182 5.15.2 Equipamiento Tráfico Mínimo ................................................................5-182

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5.15.3 Equipamiento Tráfico Básico .................................................................5-182 5.15.4 Equipamiento de Tráfico Extendido .......................................................5-183 5.15.5 Señales Fijas .........................................................................................5-188 5.15.5.1 5.15.5.2 5.15.5.3 5.15.5.4 5.15.5.5 5.15.5.6 5.15.5.7 5.15.5.8 5.15.5.9 5.15.5.10 5.15.5.11

Nombre del túnel y distancia ................................................................................... 5-188 Circulación con luces bajas ....................................................................................... 5-188 Velocidad máxima .................................................................................................... 5-189 Prohibido adelantar.................................................................................................. 5-189 Altura máxima permitida ......................................................................................... 5-190 Espaciamiento .......................................................................................................... 5-190 Semáforo .................................................................................................................. 5-191 Radio......................................................................................................................... 5-191 Señales y paneles para informar de instalaciones [123] .......................................... 5-192 Bahías de Parqueo [123] ...................................................................................... 5-192 Galerías de Evacuación (salidas de emergencia).................................................. 5-193

5.15.6 Señales Variables ..................................................................................5-194 5.15.6.1 5.15.6.2 5.15.6.3 5.15.6.4 5.15.6.5 5.15.6.6

Señalización de los carriles ....................................................................................... 5-195 Señales de límite de velocidad ................................................................................. 5-196 Señales de mensaje .................................................................................................. 5-196 Semáforo .................................................................................................................. 5-197 Señalización horizontal............................................................................................. 5-197 Barreras .................................................................................................................... 5-197

5.16 SISTEMA DE CONTROL DE GÁLIBO ....................................................5-198 5.17 CCTV Y DAI (Sistema de Detección Automática de Incidentes) .............5-199 5.17.1 Disposición de Equipos .........................................................................5-201 5.17.2 DAI ........................................................................................................5-201 5.18 SISTEMA DE TELEFONÍA SOS Y TELEFONÍA IP.................................5-203 5.18.1 Servidor SOS.........................................................................................5-204 5.18.2 Estación SOS ........................................................................................5-204 5.18.3 Cliente ...................................................................................................5-205 5.19 SISTEMA DE MEGAFONÍA ....................................................................5-205 5.19.1 General ..................................................................................................5-205 5.19.2 Arquitectura ...........................................................................................5-207 5.20 SISTEMA DE COMUNICACIONES Y RED DE CONECTIVIDAD ..........5-210 5.21 SISTEMA DE RADIO Y EMISORA .........................................................5-211 5.22 CENTRO DE CONTROL - SCADA .........................................................5-212 5.23 ENTREGABLES MINIMOS DEL PROYECTO ........................................5-213

6

CONSTRUCCIÓN............................................................................... 6-1

6.1 GLOSARIO .................................................................................................6-1 6.2 GENERALIDADES Y ALCANCES ..............................................................6-3 6.3 ACTIVIDADES DURANTE CONSTRUCCIÓN ............................................6-3 6.3.1 Determinación del Tipo de Terreno ...........................................................6-5 6.3.2 Determinación en detalle de los Factores que Influencian la Excavación .6-5 6.3.3 Evaluación del Comportamiento del Sistema ............................................6-5

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6.3.4 Comparación con los Lineamientos del Esquema del Diseño para Construcción ..........................................................................................................6-6 6.3.5 Predicción del Comportamiento del Sistema Adelante del Frente de Excavación. ............................................................................................................6-6 6.3.6 Verificación del Comportamiento del Sistema ...........................................6-7 6.3.7 Actualización y Documentación del Diseño ...............................................6-8 6.4 ASPECTOS DE LA PLANEACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN ....................6-8 6.5 ASPECTOS ORGANIZACIONALES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN ...6-10 6.5.1 Actividades de la supervisión. .................................................................6-11 6.5.2 Reuniones Durante Construcción ............................................................6-12 6.5.2.1 Reuniones geotécnicas ..................................................................................................... 6-12

6.6 MONITOREO GEOTÉCNICO DURANTE CONSTRUCCIÓN (Evaluación e Interpretación) ........................................................................................................6-14 6.6.1 Desarrollo general de desplazamientos ..................................................6-15 6.6.2 Monitoreo de desplazamientos absolutos 3D ..........................................6-16 6.6.2.1 Diagrama Tiempo – Desplazamiento ............................................................................... 6-16 6.6.2.2 Diagrama Distancia – Desplazamiento ............................................................................. 6-16 6.6.2.3 Evaluación de la estabilidad ............................................................................................. 6-16 6.6.2.3.1 Avance continuo ................................................................................................. 6-16 6.6.2.3.2 Cambios en la tasa de avance y paros durante construcción ............................ 6-18 6.6.2.3.3 Fases de excavación ........................................................................................... 6-20 6.6.2.3.4 Influencia de la instalación de medidas de soporte ........................................... 6-21 6.6.2.4 Vectores de desplazamiento ............................................................................................ 6-22 6.6.2.5 Curvas de deflexión con líneas de tendencia ................................................................... 6-23 6.6.2.6 Evaluación de tasas de desplazamiento ........................................................................... 6-26 6.6.2.6.1 Misma componente en múltiples puntos de monitoreo ................................... 6-26 6.6.2.6.2 Diferentes componentes en el mismo punto de monitoreo ............................. 6-28 6.6.2.6.3 Diferentes componentes en el mismo punto de monitoreo ............................. 6-29 6.6.2.7 Representación en estereogramas del vector de desplazamientos ................................ 6-31 6.6.2.1 Evaluación del grado de utilización del concreto neumático .......................................... 6-31 6.6.2.1 Relevancia de los métodos de evaluación de desplazamientos ...................................... 6-32

6.7 RETIRO DE MATERIALES DE EXCAVACIÓN .........................................6-34 6.8 REVESTIMIENTO DEFINITIVO ................................................................6-36 6.8.1 Formaletas...............................................................................................6-36 6.8.2 Construcción del Revestimiento ..............................................................6-37 6.8.3 Vaciado del Concreto de Revestimiento ..................................................6-37 6.8.4 Solera Curva en Concreto Hidráulico ......................................................6-38 6.8.5 Refuerzo para el Concreto de Revestimiento ..........................................6-38

7

MANUAL DE OPERACIÓN Y DE MANTENIMIENTO ....................... 7-1

7.1 GLOSARIO .................................................................................................7-1 7.2 GENERALIDADES Y ALCANCES ..............................................................7-3 7.3 DOCUMENTACIÓN MÍNIMA INFRAESTRUCTURA ..................................7-4 7.3.1 Presentación del Proyecto. ........................................................................7-4 7.3.2 Descripción del Proyecto. ..........................................................................7-4

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7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7

Instalaciones Civiles y Arquitectónicas. .....................................................7-5 Estudio de Proyección del Tráfico. ............................................................7-5 Evaluación y Mantenimiento de Instalaciones Civiles y Arquitectónicas. ..7-5 Instalaciones Electromecánicas ................................................................7-6 Iluminación ................................................................................................7-7

7.3.7.1 Operación ........................................................................................................................... 7-7 7.3.7.2 Mantenimiento .................................................................................................................. 7-8

7.3.8

Ventilación Mecánica .................................................................................7-8

7.3.8.1 Operación ........................................................................................................................... 7-8 7.3.8.2 Mantenimiento .................................................................................................................. 7-9

7.3.9

Comunicación ............................................................................................7-9

7.3.9.1 Operación ........................................................................................................................... 7-9 7.3.9.2 Mantenimiento ................................................................................................................ 7-10

7.3.10 Control de Tráfico ....................................................................................7-12 7.3.10.1 7.3.10.2

Operación ................................................................................................................... 7-12 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-13

7.3.11 Sistema para Cierre del Túnel .................................................................7-15 7.3.11.1 7.3.11.2

Operación ................................................................................................................... 7-15 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-16

7.3.12 Detección de Incidentes ..........................................................................7-16 7.3.12.1 7.3.12.2

Operación ................................................................................................................... 7-16 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-18

7.3.13 Control de Incendios ................................................................................7-19 7.3.13.1 7.3.13.2

Operación ................................................................................................................... 7-19 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-20

7.3.14 Energía Eléctrica – Sistema de Respaldo ...............................................7-21 7.3.14.1 7.3.14.2

Operación ................................................................................................................... 7-21 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-22

7.3.15 Señalización ............................................................................................7-23 7.3.15.1 7.3.15.2

Operación ................................................................................................................... 7-23 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-23

7.3.16 Evacuación ..............................................................................................7-25 7.3.16.1 7.3.16.2

Operación ................................................................................................................... 7-25 Mantenimiento .......................................................................................................... 7-25

7.3.17 Generalidades .........................................................................................7-26 7.4 ORGANIGRAMA DE RECURSOS HUMANOS ........................................7-26 7.4.1 Organigrama del Equipo de Mantenimiento ............................................7-26 7.4.2 Organigrama para el Equipo de Operación .............................................7-27 7.5 HERRAMIENTA Y DOTACION MÍNIMA PARA EL MANTENIMIENTO ....7-27 7.6 ORGANISMOS EXTERNOS DE APOYO PARA LA SEGURIDAD Y OPERACIÓN ..........................................................................................................7-28

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REFERENCIAS .................................................................................. 8-1

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LISTADO DE TABLAS Tabla 1-1 Leyes Colombianas de regulación nacional aplicables a proyectos de Infraestructura Vial ...................................................................................................1-3 Tabla 1-2 Decretos Nacionales de regulación nacional aplicables a proyectos de Infraestructura Vial ...................................................................................................1-4 Tabla 1-3 Resoluciones emitidas por el Ministerio de Transporte ............................1-5 Tabla 1-4 Resoluciones emitidas por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible .................................................................................................................................1-5 Tabla 1-5 Documento Conpes (Consejo Nacional de Política Económica y Social) 1-5 Tabla 1-6 Manuales y Normas de regulación nacional aplicables a proyectos de infraestructura vial ....................................................................................................1-6 Tabla 3-1 Ejemplo de parámetros relevantes dependiendo del tipo de material ....3-12 Tabla 3-2 Número mínimo de perforaciones ..........................................................3-27 Tabla 3-3 Personal Sugerido para Elaborar el Componente Hidrológico. ..............3-30 Tabla 3-4 Parámetros a analizar en muestras de agua subterránea. .....................3-35 Tabla 3-5 Red de Monitoreo. ..................................................................................3-39 Tabla 4-1 Distancia de seguridad en túneles (modificado de [71]) .........................4-12 Tabla 4-2 Corrección de la distancia de parada según la pendiente (modificado de [71]) ........................................................................................................................4-12 Tabla 4-3 Pendientes máximas para túneles viales de carretera en Colombia ......4-14 Tabla 4-4 Radios mínimos verticales [71] ..............................................................4-14 Tabla 4-5 Sección transversal de los túneles de carretera en Colombia ................4-16 Tabla 4-6 Categorías básicas de tipos de comportamiento del terreno [72] ..........4-33 Tabla 4-7 Comportamiento del sistema y correspondiente variable para monitoreo (modificada de [87]) ................................................................................................4-37 Tabla 4-8 Variable para monitoreo y método de monitoreo a implementar (modificada de [87]) ...................................................................................................................4-38 Tabla 4-9 Rango y frecuencia de monitoreo...........................................................4-44 Tabla 4-10 Factores de seguridad para elementos de soporte ..............................4-59 Tabla 4-11 Valores límite de contenido de sustancias nocivas en el agua subterránea_ Afectación concreto lanzado ..................................................................................4-75

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Tabla 4-12 Valores límite para el agua subterránea - Afectación del concreto lanzado y el acero ................................................................................................................4-75 Tabla 4-13 Disminución de la resistencia de los materiales de soporte por presencia de sustancias agresivas .........................................................................................4-78 Tabla 4-14 Especificaciones de la lámina o membrana de impermeabilización .....4-83 Tabla 4-15 Especificaciones de la lámina o membrana de impermeabilización .....4-84 Tabla 4-16 Especificaciones del fieltro de protección .............................................4-85 Tabla 4-17 Métodos de análisis de taludes (modificada de [110])..........................4-98 Tabla 4-18 Factores de Seguridad .........................................................................4-99 Tabla 4-19 Clasificación de los perfiles de suelo [116] .........................................4-102 Tabla 4-20 Criterios para la clasificación de suelos dentro de los perfiles de suelo tipo C,D o E [116] .......................................................................................................4-102 Tabla 4-21 Valores del coeficiente Fa, para la zona de periodo cortos de espectro[116] .............................................................................................................................4-103 Tabla 4-22 Valoración de importancia del talud o portal [118]..............................4-103 Tabla 5-1 Requisitos mínimos según la clase de túnel ........................................5-130 Tabla 5-2 Nivel de tensión transformadores .........................................................5-146 Tabla 5-3 Flujo promedio de tráfico pico [125] .....................................................5-157 Tabla 5-4 Máxima velocidad de vehículos pesados (HGV) en función de la pendiente [125] .....................................................................................................................5-157 Tabla 5-5 Valores de diseño y umbrales del sistema de ventilación [125] ...........5-159 Tabla 5-6 Tipo de ventilación ...............................................................................5-161 Tabla 6-1 Relevancia de diferentes métodos de evaluación de desplazamientos [189] ...............................................................................................................................6-33 Tabla 6-2 Sistemas básicos de retiro de la rezaga en Túneles ..............................6-35

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LISTADO DE FIGURAS Figura 3-1 Representación de los resultados de la exploración con perforaciones y combinada. Arriba: exploración con perforaciones. Abajo: con pozos de gran diámetro adicionales a las perforaciones ..............................................................................3-18 Figura 4-1 Fases de excavación - Sección transversal típica...................................4-4 Figura 4-2 Fases de excavación - Sección longitudinal ...........................................4-5 Figura 4-3 Fases de excavación - Sección transversal con núcleo central ..............4-5 Figura 4-4 Representación esquemática para el cálculo del radio de curvatura [71] .412 Figura 4-5 Sección transversal de servicio túneles carreteros en Colombia ..........4-16 Figura 4-6 Esquema localización bahías de parqueo .............................................4-17 Figura 4-7 Sección transversal de servicio - Bahía de parqueo .............................4-17 Figura 4-8 Bahía de Parqueo .................................................................................4-18 Figura 4-9 Sección transversal de servicio - Galerías de Evacuación ....................4-18 Figura 4-10 Dimensiones Típicas del Nicho de Emergencia ..................................4-20 Figura 4-11 Dimensiones Típicas de Nicho de Control de Incendio (Planta) .........4-20 Figura 4-12 Dimensiones de Nicho de control de incendio (perfil) .........................4-21 Figura 4-13 Configuración típica del nicho eléctrico ...............................................4-21 Figura 4-14 Diagrama de flujo para el diseño de túneles .......................................4-25 Figura 4-15 Nomenclatura propuesta para los sistemas de soporte ......................4-30 Figura 4-16 Esquema de monitoreo en superficie para túneles con baja cobertura (modificada de [87]) ................................................................................................4-40 Figura 4-17 Macizo rocoso con bloques, potencial de sobre excavaciones ...........4-41 Figura 4-18 Macizo rocoso con planos de debilidad (foliación, estratificación) ......4-41 Figura 4-19 Macizo rocoso con potencial expansivo ..............................................4-42 Figura 4-20 Esquema de zonas y distancias para monitoreo (modificada de [87]) 4-43 Figura 4-21 Interconexiones asimétricas a evitar ...................................................4-48 Figura 4-22 Esquema del sistema de interconexión para el método de “localización libre de la estación” ................................................................................................4-48 Figura 4-23 Componentes de los puntos de monitoreo de desplazamiento ...........4-49 Figura 4-24 Esquema de instalación para puntos de monitoreo de desplazamiento .450

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Figura 4-25 Perno con protección e instalación en el terreno ................................4-51 Figura 4-26 Esquema para el monitoreo de túneles con sección superior, banca y solera .....................................................................................................................4-51 Figura 4-27 Esquema para el monitoreo de túneles con galerías laterales ............4-52 Figura 4-28 Esquema de instalación del piezómetro de tubo abierto .....................4-56 Figura 4-29 Esquema de instalación del piezómetro de cabeza abierta. ...............4-57 Figura 4-30 Esquema de instalación de piezómetros neumático ...........................4-57 Figura 4-31 Desarrollo de la resistencia del concreto neumático para túneles ......4-60 Figura 4-32 Sistema general de inyecciones..........................................................4-64 Figura 4-33 Cálculo de sistema de enfilaje como una viga simplemente apoyada 4-66 Figura 4-34 Visualización del análisis de silo o chimenea ......................................4-68 Figura 4-35 Distribución de pernos en el frente de excavación ..............................4-68 Figura 4-36 Configuración de revestimiento definitivo ............................................4-72 Figura 4-37 Corte y relleno de vástago y la placa de un perno ..............................4-80 Figura 4-38 Configuración para revestimiento de capa compuesta RCC ...............4-81 Figura 4-39 Tolerancia máxima de rugosidad para la instalación de la membrana impermeabilizante ..................................................................................................4-81 Figura 4-40 Portal en V o encajonado, Vía Bogotá - Villavicencio .........................4-90 Figura 4-41 Portal en “L” o a media ladera, vía Bogotá – Villavicencio ..................4-91 Figura 4-42 Portal en “C” o Sesgado, vía Cisneros-Loboguerrero .........................4-92 Figura 4-43 Portal en “T” o Perpendicular, vía Bogotá – Villavicencio ...................4-93 Figura 4-44 Aspecto estético y ambiental del portal en “U” o Herradura ................4-94 Figura 4-45 Portal en “U” o Herradura ....................................................................4-94 Figura 4-46 Portal tipo “E” o estructural .................................................................4-95 Figura 4-47 Partes de un portal para un túnel [108] ...............................................4-97 Figura 5-1 Clasificación de Túneles para Requerimientos Electromecánicos ......5-129 Figura 5-2 Sistemas Electromecánicos, modelo de tres capas ............................5-132 Figura 5-3 Sistema de automatización .................................................................5-138 Figura 5-4 Arquitectura Sistema de Automatización ............................................5-139 Figura 5-5 Ventilación natural...............................................................................5-152 Figura 5-6 Ventilación longitudinal con pozo de escape central ...........................5-153

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Figura 5-7 Suministro central y ventilación longitudinal con pozo de escape central .5154 Figura 5-8 Ventilación longitudinal con ventilador a chorro ..................................5-154 Figura 5-9 Suministro semi-transversal ................................................................5-155 Figura 5-10 Escape semi-transversal ...................................................................5-155 Figura 5-11 Ventilación Transversal .....................................................................5-156 Figura 5-13 Diferencia entre iluminación normal y de emergencia .......................5-169 Figura 5-14 Ejemplos de armarios y postes SOS .................................................5-172 Figura 5-15 Gabinete para el control de incendio.................................................5-176 Figura 5-16 Gabinete para el control de incendio (Perfil) .....................................5-177 Figura 5-17 Sistema de detección de incendios ...................................................5-180 Figura 5-18 Selección de Equipamiento de Control de Tráfico ............................5-183 Figura 5-19 Equipo limitado..................................................................................5-184 Figura 5-20 Equipamiento Tráfico mínimo ...........................................................5-185 Figura 5-21 Equipamiento Tráfico Básico ............................................................5-186 Figura 5-22 Equipamiento Tráfico Extendido .......................................................5-187 Figura 5-23 Señalización nombre del túnel y distancia [148] ...............................5-188 Figura 5-24 Circulación con luces bajas [148] ......................................................5-189 Figura 5-25 Velocidad Máxima [148] ....................................................................5-189 Figura 5-26 Prohibido adelantar [148] ..................................................................5-190 Figura 5-27 Altura máxima permitida [148]...........................................................5-190 Figura 5-28 Espaciamiento [148]..........................................................................5-191 Figura 5-29 Semáforos [148] ................................................................................5-191 Figura 5-30 Señalización comunicaciones por radio [148] ...................................5-191 Figura 5-31 SOS y Extintor [148].........................................................................5-192 Figura 5-32 Señales en bahías de parqueo .........................................................5-192 Figura 5-34 Esquema general del control de galibo .............................................5-198 Figura 5-35 CCTV y DAI.......................................................................................5-203 Figura 5-36 Sistema SOS.....................................................................................5-206 Figura 5-37 Sistema de Megafonía ......................................................................5-209 Figura 6-1 Diagrama de flujo para el control durante la construcción (modificado de [72]) ..........................................................................................................................6-4

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Figura 6-2 Desarrollo típico de desplazamientos radiales (cortesía de OeGG) .....6-15 Figura 6-3 Diagrama típico Tiempo-Desplazamiento, estabilización de la sección – avance continuo (cortesía de OeGG) .....................................................................6-17 Figura 6-4 Diagrama típico Distancia-Desplazamiento, estabilización de la sección – avance continuo (cortesía de OeGG) .....................................................................6-18 Figura 6-5 Desarrollo de desplazamientos en caso de avances variables [162] ....6-19 Figura 6-6 Desarrollo de desplazamientos en caso de avances variables (cortesía de OeGG) ....................................................................................................................6-20 Figura 6-7 Diagrama tiempo-desplazamiento para la excavación de sección superior y banca (cortesía de OeGG) ..................................................................................6-21 Figura 6-8 Influencia del cierre del anillo en el desarrollo de desplazamientos (cortesía de OeGG) ...............................................................................................................6-22 Figura 6-9 Vector de desplazamientos sección transversal y longitudinal [168] ....6-23 Figura 6-10 Vector de desplazamientos, influencia de una estructura geológica en el comportamiento [169] .............................................................................................6-23 Figura 6-11 Diagrama de curvas de deflexión, clave del túnel [171, 172] ..............6-24 Figura 6-12 Diagrama de curvas de deflexión con líneas de tendencia [171, 172] 6-25 Figura 6-13 Diagrama de curvas de deflexión con líneas de tendencia, influencia de una zona de falla [172] ...........................................................................................6-26 Figura 6-14 Evaluación de asentamientos superficiales y desplazamientos en la clave del túnel [171] .........................................................................................................6-27 Figura 6-15 Desarrollo de desplazamientos en la clave y pared izquierda del túnel (modificado de [171]) ..............................................................................................6-28 Figura 6-16 Líneas de tendencia con la tasa de desplazamiento clave-pared izquierda y clave-pared derecha del túnel [172] ....................................................................6-28 Figura 6-17 Ejemplo de la tendencia del vector de desplazamientos [168] ............6-29 Figura 6-18 Líneas de tendencia típicas al atravesar una zona de falla [176] ........6-31 Figura 6-19 Representación estereográfica de vectores de desplazamiento (hemisferio inferior) [177] ..........................................................................................................6-31

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1 MARCO NORMATIVO Y REGULATORIO

1.1

ALCANCE Y OBJETIVOS DEL MANUAL

El manual comprende los requerimientos generales y necesarios para la planeación, investigación, diseño, construcción, operación y mantenimiento, de túneles viales de carretera en Colombia, construidos por el método convencional de excavación. Abarca los lineamientos generales y las pautas a implementar por las entidades públicas de orden nacional y territorial, cuando dentro de sus proyectos se incluyan túneles viales de carretera. Con esto se busca la planeación, diseño, ejecución y operación de proyectos viables, con un equilibrio técnico-económico, y con los más altos estándares en términos de seguridad y eficiencia. Aunque este manual define y establece los aspectos de obligatorio cumplimiento para determinadas áreas (Investigación, exploración, diseño, construcción equipamiento, sistemas electromecánicos de túneles), también plantea y permite adelantar alternativas que deben ser definidas de manera específica en el diseño y ejecución de cada etapa del proyecto a desarrollar. Los criterios consignados en este manual comprenden una síntesis de teorías comprobadas y experiencias exitosas, obtenidas tanto a nivel nacional como internacional, sin embargo, no se pretende que el documento proporcione soluciones a problemas relacionados con aspectos específicos, ni que remplace la aplicación del conocimiento profesional, el juicio ingenieril y la experiencia en cada una de las áreas que lo conforman.

1.2

CONSIDERACIONES

El manual parte de la premisa que: 

El lector es una persona calificada con experiencia en el área de túneles.

1-1

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1.3



La planeación, recolección de datos, diseño y ejecución de la construcción es realizada por personal idóneo y experimentado.



Existe una apropiada comunicación entre las partes involucradas dentro de las diferentes etapas del proyecto.



El lector conoce las normativas vigentes complementarias a este manual.

ORGANIZACIÓN DEL MANUAL

El Manual se ha organizado en seis (7) capítulos, a saber: 

CAPÍTULO 1. MARCO NORMATIVO Y REGULATORIO. En este capítulo se definen los alcances del Manual, incluyendo las principales leyes, decretos y normatividad vigente a nivel nacional, tomadas como referencia para la elaboración de este manual y las cuales deben ser consultadas para temas específicos que no contemple este documento.



CAPÍTULO 2. DEFINICIONES. En este capítulo se incluyen las definiciones para las diferentes fases de un proyecto. Las definiciones de términos específicos se presentan al inicio de cada capítulo.



CAPÍTULO 3. INVESTIGACIÓN Y EXPLORACIÓN. En este capítulo se definen las actividades y normativas que rigen los trabajos de investigación y exploración para cada una de las etapas del proyecto. El capítulo incluyen los lineamientos para la consecución del modelo del terreno.



CAPÍTULO 4. DISEÑO. En este capítulo se definen el alcance y contenidos mínimos de los estudios y diseños, que deberán tenerse en cuenta en cada una de las fases del proyecto. Se incluyen las aspectos relacionados con el diseño geométrico, los diseños geomecánicos, diseño del plan de monitoreo, diseño de revestimiento definitivo y taludes.



CAPÍTULO 5. EQUIPAMENTO Y SISTEMAS ELECTROMECÁNICOS. En este capítulo se definen el alcance y contenidos mínimos de los diseños electromecánicos y de equipamiento. Se definen a su vez la disposición de los sistemas, y aquellas obras de carácter civil que son requeridas para el óptimo funcionamiento.



CAPÍTULO 6. CONSTRUCCIÓN. En este capítulo se definen los lineamientos y asuntos organizacionales durante la etapa de construcción, incluye los aspectos a seguir para la evaluación y ajuste del diseño durante construcción.

1-2

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

CAPÍTULO 7 MANUAL DE OPERACIÓN Y DE MANTENIMIENTO. En este capítulo se establecen las actividades y rutinas necesarias para la adecuada operación y mantenimiento del túnel.

1.4

LEYES, DECRETOS Y NORMATIVIDAD NACIONAL

En las diferentes etapas de un proyecto de túneles, deberán tenerse en cuenta las leyes y normas existentes en Colombia, relacionadas directa o indirectamente con estos proyectos. Teniendo en cuento lo anterior, a continuación se relaciona un listado de leyes, decretos, resoluciones, documentos y normas establecidos y de aplicación nacional, que deberán ser tenidos en cuenta al acometer un proyecto de túneles viales de carretera:

Tabla 1-1 Leyes Colombianas de regulación nacional aplicables a proyectos de Infraestructura Vial

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Se dictan disposiciones básicas sobre el transporte, se redistribuyen competencias y Recursos entre la Nación y las 105 Entidades Territoriales, se reglamenta la planeación en el sector transporte y se dictan otras disposiciones.

1993

Disposiciones Generales para los Modos de Transporte.

1996

336

Se establecen mecanismos de integración social de la 361 personas con limitación y se dictan otras disposiciones.

1997

ETAPA EN LA QUE INCIDE

INCIDENCIA EN ETAPAS DE DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, Y/U OPERACIÓN DE TÚNELES VIALES DE CARRETERA

APARTE DE LEY RELACIONA DO

Diseño

Por ser los túneles parte de la infraestructura de transporte a cargo de la nación, se rige por esta ley; en la Etapa de diseño, se deben considerar las especificaciones de la red nacional de carreteras, con algunas excepciones, las cuales serán claramente especificadas en este documento. Planes de expansión de la red de transporte a cargo de la nación.

[Título II]

Operación

La seguridad, especialmente la relacionada con la protección de los usuarios.

[*]

Diseño Operación

Según lo establecido por esta ley, se evitar toda clase de barreras físicas en el diseño y ejecución de las vías y espacios públicos. Debe ser considerada para establecer las condiciones de accesibilidad para la evacuación en situación de emergencia.

[Título IV ]

1-3

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NOMBRE Y/O ALCANCE Código Nacional de Tránsito.

No.

769

AÑO

2002

ETAPA EN LA QUE INCIDE Operación

Se introducen medidas para la eficiencia y la transparencia en la Ley 80 de 1993 y se dictan otras disposiciones generales sobre la contratación con Recursos Públicos.

1150

2007

Proceso de Contratación

Reforma la Ley 769 de 2002

1383

2010

Diseño Operación

Establece el régimen jurídico de las Asociaciones Público Privadas, se dictan normas orgánicas de presupuesto y se dictan otras disposiciones. Política nacional de gestión del riesgo de desastres y establecimiento del sistema nacional de gestión del riesgo de desastres

Medidas y disposiciones para proyectos de infraestructura de transporte.

1508

1523

223

2012

2012

2013

Estructuración de Proyectos

Estructuración de Proyectos

Diseño Construcción Operación

INCIDENCIA EN ETAPAS DE DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, Y/U OPERACIÓN DE TÚNELES VIALES DE CARRETERA Prohibición de peatones al interior de los túneles.

APARTE DE LEY RELACIONA DO [Capítulo II]

Debe ser tenida en cuenta en la etapa de participación en los procesos de contratación, según sea la modalidad de la misma.

Ámbito de aplicación y principios de la Ley 769 de 2002. Demarcación y señalización vial.

[*]

[Artículos 1 - 3]

Estructuración de proyectos por agentes privados, en las etapas de prefactibilidad y factibilidad. [*]

Estructuración de proyectos por agentes privados, en las etapas de prefactibilidad y factibilidad.

[*]

Disposiciones generales, principios y políticas de la infraestructura del transporte. Disposiciones especiales en materia de contratación de infraestructura de transporte. Gestión y adquisición prediales, gestión ambiental, redes de servicios públicos domiciliarios, tics e hidrocarburos y permisos mineros en proyectos de infraestructura de transporte.

[ Título I – II – III – IV ]

Tabla 1-2 Decretos Nacionales de regulación nacional aplicables a proyectos de Infraestructura Vial

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Expide el Código Nacional de Tránsito

1344

1970

Reglamenta el Código Nacional de tránsito terrestre

1147

1971

Reglamenta parcialmente la Ley 361 de 1997

1538

2005

1-4

Instituto Nacional de Vías – Manual de Diseño, Construcción, Operación y Mantenimiento de Túneles de Carretera para Colombia

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Se establecen los límites máximos de velocidad para garantizar la seguridad vial en el Estado de Emergencia Económica, Social y Ecológica

015

2011

Modifica el Decreto 1467 de 2012

100

2013

Modifica el Decreto 1467 de 2012

301

2014

Se corrige un yerro en el Artículo 72 de la Ley 1682 de 2013

476

2014

Tabla 1-3 Resoluciones emitidas por el Ministerio de Transporte

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Se adopta el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras.

1400

2000

Se dicta una disposición transitoria en materia de Transporte Terrestre Automotor Especial.

9888

2002

Se adoptan algunas medidas sobre el tránsito vehicular.

16800

2002

Se establece el diseño y los parámetros que deben contener las vallas y demás elementos de información de las obras y proyectos de infraestructura que contrate el Instituto Nacional de Vías - INVÍAS, de los contratos de concesión que contrate la Agencia Nacional de Infraestructura y de los que contrate la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil AEROCIVIL para los aeropuertos de la Nación.

046

2013

Se adopta el Manual de Diseño de Cimentaciones Superficiales y Profundas para Carreteras.

1049

2013

Tabla 1-4 Resoluciones emitidas por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración del Diagnóstico Ambiental de Alternativas para proyectos puntuales y se adoptan otras determinaciones Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración del Diagnóstico Ambiental de Alternativas para proyectos lineales y se adoptan otras determinaciones Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración del Estudio de Impacto Ambiental para la construcción de carreteras y se adoptan otras determinaciones Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración del Estudio de Impacto Ambiental para la construcción de túneles y sus accesos y se adoptan otras determinaciones Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración del Estudio de Impacto Ambiental para la construcción de vías férreas y variantes de la red férrea nacional y se adoptan otras determinaciones Por la cual se acogen los términos de referencia para la elaboración de los términos de referencia para la elaboración del estudio de impacto ambiental para los proyectos de construcción de las segundas calzadas en terreno plano a semiondulado y se toman otras determinaciones Por medio de la cual se adopta la Metodología General para la Presentación de Estudios Ambientales y se toman otras determinaciones. Por la cual se adoptan los términos de referencia para la elaboración del Estudio de Impacto Ambiental-EIA, requerido para el trámite de la licencia ambiental de los proyectos de construcción de carreteras y/o de túneles con sus accesos y se toman otras determinaciones.

1255

2006

1277

2006

1289

2006

1283

2006

1271

2006

1559

2009

1503

2010

0751

2015

Tabla 1-5 Documento Conpes (Consejo Nacional de Política Económica y Social)

NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Política de Manejo de Riesgo Contractual del Estado para Procesos de Participación Privada en Infraestructura.

3107

2001

1-5

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NOMBRE Y/O ALCANCE

No.

AÑO

Proyectos Viales bajo el esquema de Asociaciones Público Privadas: Cuarta Generación de Concesiones Viales.

3760

2013

Lineamientos de Política para el desarrollo de Proyectos de Interés Nacional y EstratégicosPINES

3762

2013

Tabla 1-6 Manuales y Normas de regulación nacional aplicables a proyectos de infraestructura vial

NOMBRE Y/O ALCANCE

ENTIDAD

Manual de Diseño Geométrico

INVIAS

Manual de Drenajes.

INVIAS

Manual de Estabilidad de Taludes.

INVIAS

Manual de Señalización.

INVIAS

Manual de Accesibilidad.

MINISTERIO DE TRANSPORTE

Guía de Manejo Ambiental.

INVIAS

Especificaciones Generales de Construcción.

INVIAS

Normas de Ensayo para materiales de carreteras.

INVIAS

Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito.

INVIAS

Volúmenes de Tránsito.

INVIAS

Normas Técnicas Colombianas – NTC. Norma Sismo Resistente – NSR 10.

ICONTEC ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA

Estudio de impacto ambiental para explotación de materiales de construcción Estudio de impacto ambiental: Proyectos de túneles y sus accesos. Términos de referencia

MINISTERIO DE AMBIENTE VIVIENDA Y DESAARROLLO TERRITORIAL MINISTERIO DE AMBIENTE VIVIENDA Y DESAARROLLO TERRITORIAL

Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público (RETILAP – No 570.3)

MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA

Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE – 2013)

MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA

Se entenderá que si algunos de los documentos aquí listados, sufre alguna modificación y/o actualización, la versión más reciente y vigente deberá ser tenida en cuenta.

1-6

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2 DEFINICIONES

Para efectos de la adecuada compresión de este manual y con el ánimo de minimizar las diferencias conceptuales entre quienes lo consulten, se presenta a continuación la descripción de los principales términos empleados a lo largo del mismo. De igual manera en este capítulo se presentan desde el punto de vista conceptual, las etapas de un proyecto de túneles viales de carretera; sin embargo, el alcance detallado de cada una de las etapas y sus entregables se presentan por separado en los respectivos capítulos.

2.1

GLOSARIO

Calzada: zona de la vía destinada a la circulación de vehículos. Carretera: obra de infraestructura del transporte cuya finalidad es permitir la circulación de vehículos en condiciones de continuidad en el espacio y el tiempo, con niveles adecuados de seguridad y de comodidad. Puede estar constituida por una o varias calzadas, uno o varios sentidos de circulación o uno o varios carriles en cada sentido, de acuerdo con las exigencias de la demanda de tránsito y la clasificación funcional de la misma. Carril: parte de la calzada destinada al tránsito de una sola fila de vehículos. Corredor: vía de circulación de tránsito terrestre con un alto flujo vehicular Diagnóstico Ambiental de Alternativas: evaluación de tipo ambiental que permite evaluar y comparar las diferentes opciones de trazado, bajo las cuales sea posible desarrollará un proyecto, obra o actividad. Estudio de Impacto Ambiental: estudio cuya finalidad es la determinación detallada de los efectos producidos por el proyecto vial, la elaboración del Plan de Manejo Ambiental, y el cálculo de los costos de las obras de mitigación ambiental.

2-7

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Método convencional de excavación: método de excavación que se realiza mediante avances secuenciales incluyendo: procedimiento de avance (e.g. cargavoladura, o excavación mecánica), retiro de rezaga, instalación de soporte, etc. Memoria Técnica para Construcción: documento a cargo del contratista donde se incluyen los aspectos organizacionales (planos y esquemas de zona de campamentos, zonas de talleres, zona de patios, acometidas de servicios) necesarios durante la etapa de construcción. Plan de Manejo Ambiental: Conjunto detallado de medidas y actividades que surgen producto de la evaluación ambiental y que están orientadas a prevenir, mitigar, corregir o compensar los impactos y efectos ambientales debidamente identificados en el desarrollo del proyecto Terreno: término general para referirse al material en el que se excava el túnel. Túnel: obra subterránea de carácter lineal que comunica dos puntos para el transporte de personas o materiales.

2.2

PROYECTO DE TÚNELES

Un proyecto de túneles viales de carretera en Colombia comprende las siguientes etapas: 

Planeación.



Estudios y Diseños.



Construcción.



Operación y Mantenimiento.

2.2.1 Planeación Etapa en la cual para un corredor nuevo o uno existente, se contempla la posibilidad de incluir un túnel como parte integral de un proyecto vial. Para llevar a cabo la

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planeación del túnel se deberá reunir información sobre la tipología del proyecto, estudios de demanda, estudios económicos, estudios técnicos existentes en el área, estudios ambientales, clasificación de la vía y cualquier otro aspecto que tenga influencia de forma directa o indirecta. La planeación de igual manera incluye el estudio de riesgos durante construcción (riesgos inherentes a la presencia de fallas, presencia de gases, acuíferos, etc.), dentro de un área mínima que incluye el corredor previsto para la localización del túnel y a una distancia mínima de 500 m antes y después de sus portales, este estudio incluye los aspectos medioambientales y climáticos así como aspectos sociales y condiciones generales y locales de tráfico.

2.2.1.1 Aspectos Básicos de la Planeación Las actividades de planeación para un túnel vial de carretera deberán contemplar como mínimo los siguientes aspectos: 

Modelo del terreno (geológico, hidrogeológico y geotécnico)



Impacto en el medio ambiente



Afectación del entorno social-ambiental-predial en el área del proyecto



Condiciones del terreno y competencia del proyecto vial con todas sus estructuras



Condiciones de emplazamiento



Seguridad durante construcción y operación



Viabilidad técnica y económico



Implementación del estado del arte y tecnológico



Aspectos relacionados con la gestión del riesgo.

Como complemento a lo anterior, se deberá tener en cuenta que las condiciones previstas durante la planeación del proyecto podrán modificarse durante la etapa de construcción; por lo tanto, es preciso anticipar como parte de la planeación del proyecto para la etapa de construcción, un programa continuo de monitoreo (numeral 4.6). Los modelos geológicos-geotécnicos al igual que los modelos hidrogeológicos,

2-9

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conllevan un grado de incertidumbre, independiente de la intensidad de la exploración realizada durante las etapas de pre-construcción. En consecuencia se debe hacer continua la campana de exploración del terreno durante construcción.

2.2.2 Estudios y Diseños La etapa de estudios y diseños se subdivide en tres fases: Fase I, Fase II y Fase III. A continuación se define el alcance de cada una de estas fases.

2.2.2.1 Fase I La Fase I es aquella en la cual se realiza el diseño conceptual del túnel o túneles que se estimen necesarios para el proyecto vial, con base en información secundaria, visitas técnicas al lugar de emplazamiento, levantamientos topográficos (escala 1:25000 o 1:10000), levantamientos geológicos-geotécnicos (en igual escala) y perforaciones en el área de portales. Este diseño permite la evaluación y comparación de alternativas desde el punto de vista técnico, económica, social, y ambiental, incluyendo la elaboración del DAA (Diagnostico Ambiental de Alternativas). El producto final de esta fase debe permitirle al contratante determinar la viabilidad del proyecto.

2.2.2.2 Fase II La Fase II es aquella en la cual se realiza el diseño preliminar del túnel con información primaria y contando con levantamientos topográficos (escala 1:2500 y 1:500 para el área de portales) y levantamientos geológicos-geotécnicos (escalas de 1:5000). Considerando la nueva información se realiza una evaluación técnica, económica, social y ambiental detallada. Teniendo en cuenta la legislación ambiental vigente, si la entidad lo considera pertinente se puede elaborar el Estudio de impacto ambiental y solicitar la licencia ambiental, en todo caso se debe tener presente que los túneles con sus accesos requieren Licencia Ambiental, según el Decreto 2820 del 5 de agosto de 2010.

2-10

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En esta fase de deben realizar los diseños preliminares del túnel, teniendo en cuenta los estudios de tránsito y el estudio de ventilación, evaluación de la tipología de acuerdo con los riesgos analizados, estudio geológico y geotécnico del sector, clasificación del terreno de acuerdo con su comportamiento, definición de los elementos de sostenimiento, impermeabilización, revestimiento de la sección principal de tránsito, obras subterráneas adicionales (cavernas, galerías, nichos, bahías, pozos, etc.), obras de drenaje y obras superficiales (portales, estructuras del sistema de ventilación, edificio de centro de control, etc.). Así mismo realizar los diseños de los sistemas de seguridad del túnel como la ventilación, suministro de energía, iluminación, supervisión y control, comunicaciones, contra incendio, señalización y centro de control, con base en los cuales el consultor definirá las características de operación y mantenimiento del túnel.

2.2.2.3 Fase III (para licitación) La Fase III es aquella en la cual se deberá realizar la ingeniería de detalle de los estudios y diseños realizados en la Fase II con base en levantamientos topográficos detallados (escala 1:2000 para el cuerpo de túnel y 1:500 en la área de portales) y cartografía geológica y geotécnica detallada (escala 1:2000 para el cuerpo de túnel y 1:500 en la área de portales). Esta etapa igualmente contempla el programa de seguridad geotécnico y las especificaciones particulares de construcción, de tal manera que el producto final proporcione suficiente nivel de detalle para permitir la ejecución y cuantificación de cada actividad o ítem y que a su vez permita la adecuada construcción del túnel. En esta etapa ya se debe contar con los documentos y permisos contractuales. Además, después de aprobado el estudio ambiental, deben quedar plenamente definidas las actividades a realizar en el Plan de Manejo Ambiental y los respectivos monitores, seguimientos y controles ambientales, de igual manera requerimientos y compensaciones ambientales.

2.2.3 Fase de Construcción La etapa de construcción es aquella en la cual se materializan los estudios y se ajustan diseños realizados en la etapa anterior. A diferencia de otro tipo de estructuras civiles,

2-11

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el diseño final de un túnel se ejecuta durante la fase de construcción, donde se realiza un ajuste de las medidas de soporte y secuencias de excavación, con base en el monitoreo durante la construcción. Estos ajustes se realizan, para mantener la coherencia con las condiciones y comportamiento del terreno encontrado durante la excavación. Además, se adelantaran levantamientos topográficos a escala 1:1000 para el cuerpo de túnel y 1:200 en la área de portales. En cuanto a la cartografía geológica y geotécnica, se deberán usar escalas 1:1000 para el cuerpo de túnel y 1:200 en la área de portales. Previo al inicio de los trabajos, el contratista debe presentar la respectiva Memoria Técnica para Construcción, teniendo como referencia el reporte geotécnico del diseño, que incluye aspectos como: el método constructivo, el tipo de materiales, el programa de obra, los planes de contingencia o de mitigación, el plan de seguridad geotécnico ajustado, instalaciones provisionales durante la construcción, el programa de salud ocupacional, el plan de manejo ambiental y todos los aspectos relevantes durante construcción. Durante la ejecución del túnel, el contratista debe actualizar el modelo del terreno, día a día y de manera detallada, y además, documentar los sistemas de soporte implementados.

2.2.4 Operación y Mantenimiento Etapa en la cual se realizan las actividades relacionadas con el adecuado funcionamiento del túnel. Según se describe en el capítulo 7, se deberán administrar y controlar los sistemas electromecánicos, de seguridad y emergencia, diseñados para la estructura. En esta etapa también se deberán ejecutar las actividades rutinarias de mantenimiento, de tal manera que en la medida de lo posible garanticen la vida útil del proyecto para el cual fue concebido y diseñado. Se debe dar a conocer la forma como se debe realizar el proceso de seguimiento, control y monitoreo de los programas, planes y actividades establecidos en el plan de manejo ambiental.

2-12

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3 INVESTIGACIÓN Y EXPLORACIÓN

3.1

GLOSARIO

Acuicludo: Formación geológica que por su estructura mineralógica encierra el agua que obtiene por transmisión o lluvias, y no la deja salir. En estos casos se posee una alta porosidad, pero una permeabilidad casi nula [1]. Las arcillolitas son rocas que poseen estas características. Acuífero: Estrato o Unidad Litológica que permite la circulación de agua por sus poros y grietas, haciendo posible la extracción económica del fluido [2]. En esta unidad litológica pueden poseer porosidad primaria (entre sus poros, como ocurre con una arenisca), o segundaria por fracturamiento (granito fracturado) o por disolución (cavernas en rocas calcáreas). Acuífugo: Formación geológica que no contiene agua ni permite su transmisión [2]. Ejemplos de este estilo son la mayoría de rocas ígneas y metamórficas sin meteorización ni alteración. Acuitardo: Estrato o Unidad Litológica que pudiendo contener cantidades de agua interesantes, la transmisión del fluido es bastante lenta, sin embargo bajo condiciones especiales, puede servir de recarga vertical para otros acuíferos. Área de Influencia Directa del Túnel: Área en la superficie del terreno que corresponde al volumen donde se generará el modelo hidrogeológico. La determinación de esta área debe incluir el estudio de los siguientes factores: litologías, disposición estructural (rumbos y buzamientos), trenes de fallas y diaclasamientos, topografía y cobertura del túnel. En el caso de coberturas pequeñas, siempre debe respetarse un área mínima según la fase de estudio: en la fase II, una franja de 50 m a cada lado del eje del trazado; y en la fase III, una franja de 150 m a cada lado. Balance Hídrico: Es la medición de las entradas y salidas de agua dentro de un sistema hídrico, apoyando dentro de un tiempo determinado como el estado anterior,

3-1

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más la suma de los ingresos al sistema menos las salidas del sistema dentro del tiempo determinado. Cobertura: corresponde a la dimensión en términos de longitud vertical u horizontal comprendida entre la superficie del área excavada en el túnel y la superficie del terreno natural, esta puede ser cobertura vertical y/o lateral, según sea el caso. Flujo de Agua Subterránea: El Flujo del agua subterránea obedecer a la respuesta de los gradientes potenciales hidráulicos, unido a las pérdidas y ganancias del sistema hidrogeológico, tales como pozos o recargas. El agua obedece a la gravedad terrestre, moviéndose de sitios más elevados a sitios más bajos, siempre que las rocas presentes permitan su movilización [3]. Índices cuantitativos: para materiales donde hay una clara diferencia entre matriz y roca, los índices caracterizan cada fracción de manera cuantitativa, i.e. entregan el porcentaje de matriz y de roca. Información primaria: es la que se obtiene con contacto directo del objeto del estudio. Información secundaria: es la que se obtiene mediante un contacto indirecto con el objeto del estudio; es información relacionada con otro proyecto o investigación. Modelo del Terreno: conjunto de los diferentes factores que caracterizan el área del proyecto (modelo topográfico, geológico, geotécnico, hidrogeológico). En este se reúnen todas las características y las condiciones predominantes del terreno. Modelo Hidrogeológico:

Réplica del mundo real basada en los términos del

entendimiento de los conceptos hidrogeológicos y los componentes que lo constituyen [3, 4]. Un modelo hidrogeológico puede ser conceptual en el momento de su entendimiento del proceso, y luego numérico cuando se entienden los términos matemáticos. El Modelo HIdrogeológico hace parte del Modelo General del Terreno. Observación: recolección en campo de información cualitativa o cuantitativa. Permeabilidad: Propiedad física que representa el traspaso de fluidos dentro de un cuerpo a través de sus intersticios porosos.

3-2

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Porosidad: Fase no rellenada por minerales en una roca. Estos intersticios están relacionados en el volumen de una roca en porcentaje, expresándose de 0-1 en cuanto a su porcentaje en la roca. Un porcentaje de alto de porosidad (zona porosa) no indica necesariamente una mayor permeabilidad (paso de fluidos a través de los poros). Porosidad Primaria: Fase no rellenada por minerales en una roca entre cristales y que está asociada con la diagénesis (formación) de la roca. Estos espacios intersticiales suelen ser llenados por fluidos (gases o líquidos). Porosidad Secundaria: Creación de intersticios porosos a partir de eventos secundarios a la formación de la roca. Estos eventos pueden ser estructurales (fallas, diaclasamiento), o químicos (disolución, como en el caso de las rocas calcáreas). Propiedades relevantes del terreno: son aquellas propiedades del terreno que dictan su comportamiento y modo de falla. Prueba de Bombeo: Una prueba de bombeo se realiza para evaluar las características hidráulicas del sistema pozo-acuífero, estimulándolo por medio de un bombeo continuo y/o escalonado, observando la respuesta en el mismo pozo (descenso y posterior ascenso de niveles) y en pozo(s) de observación si es posible. Una prueba de bombeo es una herramienta común, utilizada en hidrogeología para determinar parámetros hidráulicos. Suelo: material producto de la acumulación de partículas sólidas inorgánicas, con presencia esporádica de material orgánico. Terreno: término general para referirse al material en el cual se excava el túnel. Unidad Hidrogeológica: Conjunto de formaciones geológicas cuyo comportamiento hidráulico se debe comparar conjuntamente. Dentro de la unidad pueden existir uno o varios acuíferos, dependiendo de las litología presente en la formación.

3-3

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3.2

GENERALIDADES

Las actividades de investigación y exploración para un túnel vial de carretera están encaminadas a la determinación detallada del modelo del terreno, el cual incluye los diferentes aspectos relevantes para el túnel en su área de influencia. Se subraya que el modelo del terreno hace referencia a los modelos topográficos, geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos. Este capítulo hace referencia a esos modelos y a las actividades específicas para su consecución. Las dimensiones del modelo del terreno dependen del proyecto y los diferentes aspectos que afectan el túnel incluyendo aspectos medioambientales y climáticos. Como mínimo incluye el corredor previsto para la localización del túnel y una distancia mínima de 500 m antes y después de sus portales. La planeación de la campaña de exploración debe estar encaminada a entregar las herramientas necesarias para el diseño del túnel en todos sus aspectos, lograr la optimización en términos de recursos, y disminuir los impactos sobre el medio ambiente en el área del proyecto. La investigación se realiza de forma gradual a través de las diferentes fases del proyecto, por lo que su documentación es esencial para la optimización del modelo del terreno que resultó de una fase anterior. En general, la investigación realizada para un túnel en sus diferentes etapas deberá permitir una reducción de las incertidumbres y una optimización del diseño general del túnel; por tanto, los diseñadores deben participar de manera activa dentro de la planeación para la investigación. Los resultados obtenidos en la etapa de exploración e investigación deberán ser confiables y sustentables desde el punto de vista estadístico y/o probabilístico, de tal manera que faciliten su implementación durante las etapas de diseño, y permitan estimar los riesgos asociados a la ejecución del proyecto. El manual del cuerpo de ingenieros de las fuerzas armadas de estados unidos (USACE) [5] presenta un estimativo de los costos de la investigación de un proyecto subterráneo. Se estima que el costo de la investigación para alcanzar un grado de incertidumbre adecuado está entre 3-4% del costo de construcción; sin embargo, este

3-4

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porcentaje depende en gran medida de la complejidad geológica, geotécnica y geomecánica del corredor donde se ubica el túnel.

3.2.1 Aspectos Básicos de la Investigación Los aspectos objeto de investigación en cada etapa del proyecto, incluyendo su método, secuencia, frecuencia, duración y precisión deberán ser definidos y presentados de manera particular en un documento a la entidad contratante para su aprobación o comentarios. Es importante tener en cuenta que la investigación para un proyecto de túneles viales de carretera deberá contemplar aspectos tales como: la existencia de comunidades étnicas, redes de servicio público, características ambientales de la zona, patrimonio arquitectónico, cultural y arqueológico que pueda impactar el proyecto, así como la existencia de títulos mineros en proceso de adjudicación, otorgados, existentes y en explotación.

3.3

INVESTIGACIÓN Y EXPLORACIÓN DEL TERRENO

El objetivo principal de la etapa de investigación y exploración del terreno es el desarrollo de un modelo del terreno con la profundidad requerida dependiendo de la fase del proyecto.

3.3.1 Modelo Geológico, Geotécnico e Hidrogeológico Los modelos son la representación de un volumen, dentro del cual se definen las condiciones de agua subterránea y la presencia y características de los materiales, que de manera directa (e.g., materiales atravesando el eje del túnel) o de manera indirecta (e.g., la incidencia de una formación que no es atravesada por el alineamiento del túnel, en las condiciones de esfuerzo e hidráulicas) afectan el comportamiento de cualquier estructura construida dentro de ese volumen representativo. Durante la consecución de los modelos se estudia de manera general toda el área de influencia del túnel y, posteriormente, se detalla y disminuye el grado de incertidumbre a lo largo de un alineamiento definido.

3-5

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Los modelos geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos son ensamblados a lo largo de las fases de diseño. La procedencia y calidad de la información para los modelos dependen de la fase del proyecto. El primer modelo del terreno es inicialmente ensamblado a partir de información secundaria (numeral 3.3.2) y se complementa con visitas de campo. Las etapas posteriores (fase II y fase III) refinan el modelo del terreno aumentando la intensidad de la exploración e investigación del área del proyecto.

3.3.2 Fuentes de Información Secundaria Las siguientes fuentes de información deben ser evaluadas [6, 7]: 

Mapas topográficos



Mapas históricos (anteriores usos del suelo)



Mapas y descripciones geológicas



Mapas y descripciones hidrogeológicas



Mapas geotécnicos



Fotografías aéreas



Investigación/exploración existente en el área de estudio



Experiencias previas en el área de estudio



Información meteorológica



Mapas con fuentes de agua (pozos, manantiales, etc.)



Noticias o reportes de movimientos en masa en el sector



Reportes mineros



Análisis e interpretación geológica de fotografías satelitales y aéreas

Referente a los aspectos ambientales, la resolución 1415 del 17 de agosto de 2012 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible trata lo relacionado con el modelo de almacenamiento Geodatabase contenido en la metodología general de presentación de estudios ambientales (Resolución 1503 de 2010).

3-6

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3.3.3 Planeación de la Exploración del Terreno La planeación de la primera campaña de exploración se realiza con base en los modelos geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos elaborados con fuentes de información secundaria y los reconocimientos de campo respectivos. Las incertidumbres del modelo deben ser disminuidas por las campañas de exploración subsecuentes (Fase II - Fase III), que son diseñadas específicamente para ese propósito. Se resalta la importancia de una apropiada documentación, tanto de las visitas de campo, como de los resultados e interpretaciones de la información geotécnica proveniente de información existente. Las condiciones del terreno anticipadas durante las diferentes etapas de diseño deberán ser verificadas y ajustadas durante la etapa subsecuente. La campaña se enfoca a la verificación de unos supuestos iniciales en cuanto a estado de esfuerzos, distribución y condición de los materiales dentro del área del proyecto, y condiciones del agua subterránea. Los resultados parciales deben ser comparados con los supuestos iniciales, dando lugar a ajustes dentro de la campaña de exploración o a la verificación de los supuestos. La campaña de exploración debe contener [6]: 

Ubicación donde se ejecuta la exploración



Tipo de investigación a realizar



Profundidad de las investigaciones (profundidad de perforaciones, profundidad de toma de muestras superficiales, etc.)



Tipo de muestreo (especificaciones de número y localización para toma de muestras)



Especificaciones para toma de muestras de agua



Tipo de equipo a utilizar



Las normativas o estándares a ser aplicado para las distintas actividades

La planeación de la campaña de exploración se resume dentro de un informe titulado “Planeación y alcances de la campaña de exploración” el cual es individual para cada fase de diseño. Dentro de este documento, a cargo del diseñador, se muestran

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los alcances, justificación y detalles de la campaña de exploración. Este documento sirve como referencia y puede ser modificado (ajustado) dependiendo de los resultados parciales de la campaña. El documento debe ser presentado ante la entidad contratante para que ésta, o su representante (supervisor), apruebe o realice los ajustes. Dichos ajustes deben ser consensuados entre las partes (diseñadorsupervisor). A nivel de fase I, a excepción de los portales, la caracterización de los materiales se realiza con base en la información secundaria y en las actividades y ensayos realizados durante las salidas técnicas. Para las otras fases se requiere de la caracterización del terreno, ya sea por medio de métodos empíricos [8-11], cuando sean aplicables, y mediante métodos numéricos [12, 13].

3.3.3.1 Ubicación y profundidad de la exploración La ubicación y profundidad de la exploración se determina con base en los modelos preliminares: geológico, geotécnico e hidrogeológico. Estas dos características están directamente ligadas a la complejidad geológica del área del proyecto. Dentro del informe “Planeación y alcances de la campaña de exploración”, se definen todos los aspectos expuestos en este numeral. A continuación se describen algunos elementos a considerar para la localización y definición de la profundidad de la exploración: 

Tanto la ubicación como la profundidad están ligadas a una incertidumbre a resolver dentro del modelo del terreno (e.g., localización de contacto entre unidades, recolección de muestras para ensayos de laboratorio, orientación de estructuras geológicas, ejecución de ensayos in-situ)



Utilidad para determinar la orientación y ubicación de contactos entre unidades geológicas



Utilidad para ampliar la información en cuanto a presencia, orientación y extensión de estructuras geológicas relevantes (fallas)



Posibilidad de ser utilizadas para la calibración de métodos geofísicos



Tener en cuenta que la información solo es válida para el punto y profundidad de la perforación (necesidad de interpretación)

3-8

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

En las zonas de los portales la profundidad debe ser superior a cualquier superficie potencial de falla



La presencia de afloramientos representativos disminuye la necesidad del número de perforaciones



Se recomienda la implementación de un análisis costo beneficio 3.3.3.1 Mapeo de campo

El mapeo de campo es la principal herramienta para la consecución del modelo del terreno. Éste debe estar enfocado a la identificación de estructuras geológicas relevantes y a la caracterización de la roca y el macizo rocoso. El mapeo de campo se documenta en formatos desarrollados y aprobados para este fin. Previo a la ejecución del mapeo en campo se deben planear los objetivos de éste [14]. Para la caracterización en campo se recomienda seguir los lineamientos descritos en “Rock testing and site characterization” [15]. Durante estos mapeos se recomienda la utilización de técnicas como el registro a lo largo de una línea de muestreo (scanline) o a través de un área circular o rectangular (ventanas). A continuación se presentan los elementos que debe contener el registro del afloramiento, junto con algunas referencias a considerar para el mapeo de afloramientos: 

Descripción de la roca, macizo rocoso o suelo [16] [17] [18]



Descripción petrográfica [19]



Grado y clasificación de la meteorización [20], [21], [22]



Descripción de discontinuidades cuantitativamente [23]



Alteraciones tectónicas o hidrotermales, desintegración, cataclasitas [24]



Identificación de set de discontinuidades [25]



Análisis estadístico de las discontinuidades [26]



Evaluación del espaciamiento e intensidad de discontinuidades presentes en el macizo rocoso [27]

3-9

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

Determinación de la resistencia por medio de ensayos empíricos o ensayos índice resistencia a la compresión basado en resistencia por rebote (DIN EN 12504-2, ÖNORM EN 12504-2) [28] 3.3.3.2 Muestreo

La toma de muestras está enfocada a su utilización en ensayos de laboratorio. El muestreo puede ser remplazado por ensayos in-situ, cuando se cuente con la experiencia suficiente para correlacionar los resultados con las condiciones del terreno. El número y cantidad de muestras se determina teniendo en cuenta el propósito de la investigación y la complejidad geológica en el área de estudio. Se recomienda tomar varias muestras previniendo posibles daños durante el almacenamiento y transporte. El muestreo y transporte de muestras debe seguir los lineamientos definidos en I.N.V.E-113 o ISO 22475-1 (incluye muestras de agua). La normativa incluye los procedimientos a seguir para muestreo a partir de perforaciones, excavaciones o trincheras, tanto para suelos como para rocas.

3.3.3.3 Ensayos de laboratorio Los ensayos de laboratorio se enfocan en las propiedades relevantes del material (roca/suelo). Estas propiedades son las que influencian el comportamiento del túnel durante la excavación [29]. Dentro de este numeral se resumen los principales ensayos, normativas y referencias para la caracterización de los materiales. El modelo del terreno esperado debe estar establecido previo a la ejecución de ensayos de laboratorio. El modelo permite prever las unidades geológicas que influyen en el comportamiento del túnel, así como su condición. De esta manera se planea el muestreo dentro de las diferentes unidades o sitios de interés geotécnico que deben ser investigados en profundidad. La Tabla 3-1 se presenta como ayuda para seleccionar los parámetros relevantes del terreno, para diferentes tipos de roca y suelos. Dependiendo de las condiciones específicas del proyecto, puede ser necesaria la determinación de parámetros

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diferentes o adicionales. En cualquier caso se debe comprobar que los parámetros seleccionados describen las propiedades del terreno [30]. 3.3.3.3.1 Suelos Clasificación Debe incluir como mínimo: 

El sistema unificado de clasificación de suelos (USCS) (I.N.V.E-181, ÖNORM B4400, DIN 18 196)



Distribución granulométrica (I.N.V.E 213, I.N.V.E 214)



Propiedades de plasticidad (I.N.V.E 125, I.N.V.E 126, I.N.V.E 127)



Presencia de material orgánico (64-65) (I.N.V.E 121)

Parámetros del suelo 

Peso específico, peso unitario, densidad, (I.N.V.E-128, I.N.V.E-222, I.N.V.E223, ÖNORM B 4413, DIN 18124, DIN 18125 parte 1-2, DIN 18126, ASTM D 854)



Distribución granulométrica, (I.N.V.E 213, I.N.V.E 214, ÖNORM B 4412/1/2, DIN 8196, DIN18123, DIN 4021 T1, ASTM D 2487, ASTM D 3282, ASTM D 422, EN 932/3/4, EN 933/1-6, EN ISO 14688)



Porosidad, ASTM D4404 – 10, ASTM D7263 – 09 o NTC 674



Estructura. requiere de la descripción visual de la acomodación de los granos en suelo. Los escenarios típicos de esta propiedad del suelo son: Estructura de los enlaces del suelo (fuerte, moderada, débil y sin estructura), y para la fábrica o distribución de las partículas (laminar, en bloques, prismática, columnar, granular)



Textura (I.N.V.E-123, ASTM D422)



Relación matriz/componentes (BS EN 1097/3-4)



Propiedades de resistencia y deformabilidad, (ÖNORM B 4420, DIN 18122 T1/T2, DIN 18127, ASTM 4318, ASTM 2435, ASTM D 2166, ASTM D 2850, ASTM D 3080)

3-11

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Tabla 3-1 Ejemplo de parámetros relevantes dependiendo del tipo de material PARÁMETROS RELEVANTES

Presencia_minerales arcillosos (cualitativo)

Presencia_minerales arcillosos (cuantitativo)

Cementación

Tama ño del grano

Textura

porcentaje volumétrico de bloques

Porosidad

Alteración/meteorizaci ón

Susceptibilidad a soluciones

Propiedades expansivas

Propiedades de resistencia

Anisotropía

Orientación de la discontinuidad

Tamaño de la discontinuidad

Geometría de la discontinuidad

Persistencia

Apertura

Resistencia al corte/rugosidad

material de relleno

Rocas plutónicas

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Rocas volcánicas (masiva) Rocas volcánicas clásticas Rocas clásticas de grano grueso (masiva) Rocas clásticas de grano fino (masiva) Rocas clásticas de grano grueso Rocas clásticas de grano fino Rocas carboníferas (masiva) Rocas carboníferas (estratificada)

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Rocas sulfaticas

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Rocas metamórficas (masivas) Rocas metamórficas (foliadas)

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Zona de falla

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ROCAS

TIPO DE MATERIAL

SUELOS

Discontinuidades

Composición mineralógica

Roca intacta

Suelos con bolos y bloques rocosos Suelos de grano grueso (gravas) Suelos de grano grueso (arenas) Suelos de grano grueso (gravo-arenosos) Suelos de grano fino (limo) Suelos de grano fino (arcilla)

■ Relevante

□ Limitada

- no aplica

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Parámetros de componentes en el suelo 

Composición mineralógica, geometría del grano, (ÖNORM, B4401/3, ASTM 2488, EN 12407, EN 12470, EN 12440, EN ISO 14689)



Estado de los componentes (e.g. alteración, erosión), (EN 1097/1-2, ÖNORM B 3128)



Composición mineralógica, (ÖNORM B4401/3, ASTM 2488)



Ensayo de penetración estándar (SPT) (I.N.V.E-111)



Obtención de muestras mediante tubos de pared delgada (I.N.V.E-105)



Ensayo de corte directo (I.N.V.E-154)(



Compresión triaxial en suelos cohesivos (I.N.V.E-153)



Compresión inconfinada de suelos (I.N.V.E-152)

Parámetros de la matriz 

Composición mineralógica, contenido de minerales arcillosos, cementación y material orgánico, (EN 933/8-10)

Permeabilidad 

(ÖNORM B 4410, DIN18130 T1, ASTM: D 4643, D 4944, D 2434)

3.3.3.3.2 Roca intacta Descripción 

Las componentes relevantes, intercalaciones y variaciones deben ser descritas como proporciones volumétricas y frecuencias



Mineralogía: Componentes principales en % volumétrico, cementación, composición de grano-matriz, contenido/distribución, (EN ISO 14689, EN 12407, EN 12470, EN 12440)



Potencial expansivo [31, 32]



Micro estructura [33, 34]



Distribución de componentes y matriz; porosidad (ver 3.3.3.3.1); índices cuantitativos.



Conservación y transporte de núcleos de roca (I.N.V.E-113)

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3.3.3.3.3 Macizo Rocoso 

Tipo de meteorización, tipos de clasificación, descoloración, influencia en la resistencia de la roca, conexiones intergranulares, efectos en las propiedades de las discontinuidades [23]



Disolución – transformación – formación de nuevos minerales

3.3.3.3.4 Discontinuidades y Macro estructura 

Macro estructura (plegamientos, estratigrafía, esquistosidad, foliación, etc.), tipo de discontinuidad, génesis



Número y geometría de los sets de discontinuidades principales, geometría, tamaño (ASTM D4879)

Propiedades de las discontinuidades 

Tamaño y geometría (longitud, persistencia, área, apertura, terminación)



Alteración, relleno [23] (ASTM D2488)



Rugosidad, ángulo de dilatación, parámetros de resistencia al corte y rigidez de la discontinuidad [26] [35] [36, 37]



Densidad, intensidad, permeabilidad del macizo [27, 38, 39]



Resistencia al corte, compresión [40]

3.3.3.3.5 Características de resistencia de la roca y roca intacta  

Resistencia de la roca intacta (compresión, corte, tracción) (ASTM C 39, ASTM D 2938-86) [40, 41] Constantes elásticas (e.g., E, , G, V) (ASTM D 3148-86, ASTM C 469)



Parámetros criterios de falla Coulomb/Hoek-Brown [15, 42-44],ÖNORM B 3124/9



Ensayos índice carga puntual (ASTM D 5731) [45, 46], resistencia a la compresión basado en resistencia por rebote (DIN EN 12504-2, ÖNORM EN 12504-2) [28]



Ensayo de tracción directa, test brasilero para tracción en rocas, (ASTM D 2936-08, ASTM D 3967-08, ÖNORM B 3124/4)



Anisotropía con respecto a la resistencia de la roca intacta y el macizo rocoso [23, 47]



Abrasividad (NF P94-430-1, NF P18-579) [48, 49]

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

Resistencia contra el desgaste, cambios de temperatura, erosión, inmersión (ASTM 4644, EN 1367/1, DIN 52 106, ÖNORM B 3120/1/2) [50] 3.3.3.4 Número de ensayos

Para túneles viales el

número de ensayo es función del problema geotécnico

especifico (ej. diseño de portales), la complejidad geológica, la geología local y los parámetros requeridos para ejecutar el diseño [6]. Las unidades geológicas que influyen en el comportamiento del túnel son establecidas dentro del modelo del terreno. Los ensayos deben estar encaminados a caracterizar cada unidad, o diferentes condiciones del terreno dentro de la unidad, con la precisión que se establece para cada una de las fases. Se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones en el momento de determinar la cantidad de ensayos a realizar: 

El número de ensayos a ejecutar es inversamente proporcional a la homogeneidad del terreno, presencia de afloramientos y experiencias previas que permitan caracterizar los tipos de terreno.



Dependiendo del tipo de ensayo, se debe disponer de múltiples muestras. Su planeación debe hacerse considerando las exigencias consignadas dentro de las normativas de los ensayos. Especímenes adicionales para ensayos deben estar disponibles, siempre que se requiera (ver anexo L-W en [6]).



El número de ensayos puede reducirse si se adoptan parámetros conservadores para caracterizar el material en combinación con ensayos índice.

En proyectos de túneles urbanos la intensidad del muestreo y ensayos del laboratorio aumenta considerablemente. Se recomienda seguir los lineamientos descritos en [6, 7] para este tipo de proyectos.

3.3.3.5 Métodos geofísicos Los métodos geofísicos de mayor utilización en el campo de túneles y estructuras subterráneas son la refracción/reflexión sísmica, y las mediciones de la resistencia eléctrica, utilizada principalmente para determinar la profundidad del agua subterránea.

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Los métodos sísmicos miden las velocidades de onda dentro del material y ponen en evidencia contrastes de velocidad de onda, los cuales pueden indicar cambios de las condiciones del material. La profundidad de penetración de la onda depende de la energía aplicada y la técnica utilizada. Se debe tener en cuenta que la resolución es inversamente proporcional a la profundidad. Si la campaña de exploración contempla el uso de métodos sísmicos para profundidades mayores a 50 m, se recomienda el uso de reflexión sísmica. Existen múltiples correlaciones para la determinación de las propiedades de los materiales

3.3.3.6 Perforaciones exploratorias Las perforaciones deben estar estrictamente enfocadas a la verificación o ajuste del modelo del terreno, incluyendo: 

Localización de contactos entre unidades geológicas (cambios en la litología)



Determinación de la orientación y magnitud de estructuras geológicas (fallas)



Determinación del estado de los materiales (detalle del perfil de meteorización)



Recolección de muestras para ensayos de laboratorio



Realización de ensayos (desde o en la perforación)

En aras de aumentar el recobro y calidad de los núcleos, se recomienda la utilización de técnicas de perforación por rotación, con recuperación de muestra en diámetros superiores a 60 mm (diámetro del núcleo recuperado). No se permite núcleos con diámetro menor a 45 mm. Se recomienda la utilización de barrenos con la capacidad de obtener muestras inalteradas. Se recomienda un barreno interno con hendedura, el cual se separa del conjunto toma muestras con el corazón dentro, y luego se abre para revelar la muestra. Si el macizo que se estudia contiene múltiples fallas y fracturas subverticales, se recomienda realizar múltiples perforaciones sub-horizontales, especialmente en el área de los portales. Los equipos deben ser capaces de perforar inclinadamente hasta por lo menos 150 m desde la plataforma de perforación.

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Se deben proveer todas las perforaciones con cajas porta núcleos metálicas cumpliendo la norma ASTM D2113. Se guardarán y preservarán los núcleos recobrados en estas cajas en la secuencia correcta, colocando separadores entre cada barrenada e identificando claramente la profundidad respectiva. Las muestras deberán ser revisadas por un geólogo de campo; posteriormente, el geólogo deberá describir completamente la perforación y documentarla en un formato de registro de perforaciones. En perforaciones en suelos se harán ensayos de penetración estándar, mínimo cada 1.50 m o cuando se presenten cambios en el material que se está perforando. Se recomienda realizar un registro en toda la longitud de la perforación con cámaras endoscópicas. En sectores con estratos heterogéneos, donde exista una alta incertidumbre por parte de los geólogos y geotecnistas, se recomienda la exploración con apiques o pozos de gran diámetro que permitan registrar metro a metro el material encontrado (Figura 3-1). 3.3.3.6.1 Registro de la perforación Las perforaciones deben ser ejecutadas por personal experimentado. El equipo empleado debe adaptarse a las condiciones del terreno y necesidades del grupo diseñador. Durante la perforación se debe como mínimo tener registro de los siguientes elementos [7]: 

Profundidad y ubicación (coordenadas) de la perforación



Especificaciones de la broca de perforación y tubería de perforación



Especificaciones y profundidad del revestimiento



Profundidad del nivel freático



Longitudes de perforación



Registro de las condiciones encontradas durante la perforación  Porcentaje y calidad del recobro  Perdida de fluido para la perforación, si aplica

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 Cambios en la tasa de avance (presión hidráulica en el taladro de perforación)  Cambios en el color del agua  Temperatura del agua  Dificultades en la instalación del revestimiento 

La tasa de recobro debe estar reflejada dentro de los registros y en las cajas para almacenar la muestra.

La perforación debe ser presentada dentro del informe (perfiles) a una escala de 1:100. Se recomienda tener registro fotográfico de las actividades realizadas durante la ejecución de la perforación.

Figura 3-1 Representación de los resultados de la exploración con perforaciones y combinada. Arriba: exploración con perforaciones. Abajo: con pozos de gran diámetro adicionales a las perforaciones

3.3.3.6.2 Registro de núcleos de perforación El registro de núcleos necesita de personal experimentado; se recomienda la presencia de un geólogo. Los núcleos deben ser descritos en un lenguaje claro, no

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ambiguo, que permita a terceros reconocer las principales características del núcleo y su profundidad. Para la correcta interpretación, el geólogo o geotecnista encargado del registro debe contar con los elementos descritos en el numeral 3.3.3.6.1. Debe estar en la capacidad de interpretar y correlacionar las eventualidades registradas durante la ejecución de la perforación. El registro de perforación debe contar como mínimo con los siguientes elementos [7]: 

Profundidad y ubicación (coordenadas) de la perforación



Registro fotográfico



Estimación de la resistencia del material (ensayos índice)  Para suelos (resistencia no drenada por medio de estimación empírica o ensayo de veleta de campo)  Para rocas (resistencia por medio de estimación empírica, ensayo de carga puntual (ASTM D 5731) o resistencia a la compresión basado en resistencia por rebote (DIN EN 12504-2:2012-12, ÖNORM EN 125042:2001)  Se recomienda la determinación del módulo de elasticidad del material por medio de la prueba de velocidad ultrasónica.



Dentro del registro se debe hacer referencia a las observaciones realizadas durante la ejecución de la perforación.



Ubicación de las perforaciones en planta y perfil

En suelos 

Descripción geotécnica (tipo de suelo, color, etc.) [16] [17]



Identificación del suelo EN ISO 14688-1, ASTM D 2488

Rocas 

Descripción geológica y petrográfica [16] [17]  Identificación del tipo de roca (EN ISO 14689-1)  Mineralogía (identificación de minerales)  Litología (unidad geológica)

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

Grado de meteorización (EN ISO 14689-1:2003 numerales 4.2.4 y 4.3.4)



Grado de fracturación (RQD) (EN ISO 22475-1)



Textura



Estructura



Color



Descripción de discontinuidades (EN ISO 14689-1)  Tipo  Espaciamiento  Condición  Rugosidad  Relleno  Orientación relativa con respecto al eje de la perforación

3.3.3.6.3 Ensayos y métodos de evaluación dentro de la perforación 

Inclinómetros



Dilatómetro (EN ISO 22476-5)



Ensayo de penetración estándar (SPT) (I.N.V.E-111)



Registro fotográfico o en video de toda la longitud de la perforación por cámara endoscópica.



Ensayos de permeabilidad (Le Franc, Lugeon)



Pruebas de bombeo



Permeabilidad In-Situ

Se recomienda la instalación de piezómetros de tubo abierto dentro de cada perforación (numeral 4.6.4.5.1) En suelos 

Ensayo de penetración estándar (SPT) (ASTM D 1586-84, EN ISO 22476-3)



Ensayo de veleta de campo (EN ISO 22476-9)



Cono de penetración y piezocono de penetración (CPT, CPTU EN ISO 224761 o CPTM EN ISO 22476-12)

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

Dilatómetro de campo

Rocas 

Dilatómetro



Ensayo de presión de agua (fractura)



Ensayos hidráulicos “borehole Jack test” (EN ISO 22476-7)



Geofísicos  caliper  resistividad  acústico 3.3.3.7 Ensayos “in-situ”

Se recomienda la utilización de ensayo de corte directo in-situ para la determinación de los parámetros de resistencia del terreno (ASTM D4554, D3080) 

Ensayo de Placa (ASTM D4394, EN ISO 22476-13)



Ensayo de corte directo in-situ (ASTM D4554, D3080)

3.3.4 Investigaciones en la Fase I Durante esta fase se realiza el primer modelo del terreno con base en información secundaria y visitas técnicas. Durante esta fase se requiere el modelo del terreno para el área de influencia de cada una de las alternativas planteadas. La primera aproximación a los diferentes modelos que conforman el modelo del terreno (geológico, geotécnico, hidrogeológico), se realiza a partir de información secundaria, teniendo en cuenta las fuentes de información que se presentan en el numeral 3.3.2. Los siguientes requerimientos técnicos se basan en las directrices del Instituto Nacional de Vías INVIAS [51] para estudios y diseños de carreteras en el ámbito de la fase I.

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3.3.4.1 Reconocimientos de campo El modelo geológico proveniente de información secundaria es verificado, ajustado o corregido durante visitas técnicas en campo. Las visitas contemplan el reconocimiento geológico, geotécnico e hidrogeológico de cada una de las alternativas evaluadas, enfocándose en la identificación y determinación de la ubicación y orientación de estructuras geológicas relevantes (e.g., fallas, contactos). Durante las salidas, se realiza: 

Reconocimiento geológico geotécnico de cada alternativa



Mapeo de áreas geológicas y geotécnicas



Mapeo de afloramientos: documentación de tipo y condición de la roca, documentación de discontinuidades.



Identificación y caracterización de fallas geológicas: incluyendo su posible orientación, evidencia tectónica



Identificación de zonas inestables



Identificación de manantiales



Determinación de la resistencia



Evaluación preliminar de condiciones hidrogeológicas 3.3.4.2 Alcances de la campaña de exploración (fase I)

Para esta fase, el informe de planeación y alcances de la campaña de exploración debe contener como mínimo: 

Perforaciones para cada portal a una profundidad mínima de 3 diámetros del túnel, se recomienda la ejecución de perforaciones perpendiculares o horizontales a las capas del perfil estratigráfico.



La perforación debe permitir, según aplique:  Determinar el perfil de meteorización  Espesor de depósitos  Clasificación de suelos y rocas  Determinación del nivel freático

3-22

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 Determinación del contenido de bloque de los depósitos. 

Ejecución de métodos geofísicos encaminados a la determinación de:  Espesor de depósitos  Determinación de contactos  Localización de posibles fallas o estructuras tectónicas.  Localización del nivel freático.  Valores de velocidad de onda para determinar parámetros



Evaluación estadística y probabilística de la información básica recopilada



Estudios ambientales.

Los resultados obtenidos durante las investigaciones realizadas en esta Fase I son importantes para las etapas subsiguientes (Fase II y III). Por esta razón, se hace especial énfasis en la documentación confiable y sustentable, proporcionando a su vez una línea base preliminar para los posteriores estudios y etapas del proyecto. El producto final a nivel de fase I, se ve reflejado en un modelo del terreno que incluye la totalidad de la información secundaria para el área del proyecto. Cualquier tipo de información que no haya sido considerada durante la fase debe ser incluida dentro de las fases subsecuentes.

3.3.5 Investigaciones en la Fase II Las investigaciones del terreno a nivel de Fase II deberán llevarse a cabo para las alternativas analizadas durante esta fase, de tal manera que permitan obtener la información necesaria para realizar el diseño de factibilidad del túnel, logrando a su vez reunir la información necesaria para los trámites de licencias y permisos que requiera el proyecto. El modelo del terreno (geológico, hidrogeológico y geomecánico) deberá ser estudiado de manera detallada durante esta Fase, para lo cual se deberá realizar un plan de exploración (Planeación y alcances de la campaña de exploración) incluyendo mapeos de campo, detalles sobre perforaciones, ensayos de laboratorio y de campo, etc. para lograr los objetivos propuestos.

3-23

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A continuación se presentan los requerimientos mínimos que desde el punto de vista de investigación se requieren en esta Fase. Éstos se basan en los criterios técnicos para estudios y diseños de carreteras a nivel de fase II, del Instituto Nacional de Vías INVIAS [52] y en el apéndice técnico para la etapa de factibilidad, de la Agencia Nacional de Infraestructura ANI [53]: 

Descripción geológica con detalles de la litología y la variabilidad



Ubicación y orientación de las discontinuidades y los planos de debilitamiento relativos a la excavación del túnel; planos de estratificación, fallas, juntas, zonas de corte



Determinación de esfuerzos en el lugar



Análisis de los registros geotécnicos y de instrumentación obtenidos con información secundaria en caso de existir



Resultados de ensayos de laboratorio e in-situ



Marco geológico regional



Geomorfología



Estratigrafías



Geología estructural



Condiciones geológicas esperadas en la excavación del túnel.



Geología de los portales



Geología de los pozos de ventilación (si aplica)



Levantamientos geológicos de los portales y brocales y levantamiento de información estructural complementaria



Realización de sísmica de refracción y/o reflexión enfocada en la búsqueda de contactos litológicos y posibles zonas de falla, También se puede utilizar para determinar parámetros geo-mecánicos o puede ser remplazada por perforaciones



Realización de tomografía eléctrica enfocada principalmente determinación del comportamiento del flujo de agua subterráneas



Ejecución de perforaciones adicionales con recuperación de muestras en sitios definidos de acuerdo a las condiciones geológicas, para definir el modelo geológico geotécnico de terreno



El modelo del terreno debe ser tal que permita caracterizar cada una de las unidades geológicas presentes en el alineamiento del túnel y en aquellas zonas donde se anticipa existan estructuras geológicas

en

la

3-24

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

Realización de ensayos de laboratorio acorde con los requerimientos del de esta fase

3.3.6 Investigaciones en la Fase III Las Investigaciones del terreno en la Fase III deberán ser llevadas a cabo de tal manera que las mismas permitan complementar aquella información obtenida durante la Fase II y optimizar los estudios y diseños para la ingeniería de detalle. Los siguientes son requerimientos basados en la referencia [54] del INVÍAS, para estudios y diseños de carreteras a nivel de fase III: 

Se debe ejecutar mínimo una perforación por cada portal. Se recomienda que cada 1000 m o cada vez que se identifiquen estructuras geológicas relevantes, se realice una perforación intermedia y como mínimo ejecutar una perforación por unidad geológica (toma de muestras para identificación y caracterización del material), que influencian el comportamiento de la excavación. La profundidad debe estar acorde con el objetivo de la perforación (e.g., muestreo de una unidad geológica específica, determinación de la orientación de un lineamiento). 3.3.6.1 Geología

Posterior al reconocimiento geológico se realiza la exploración geológica de campo, a nivel de afloramiento, a escala 1: 1.000 (numeral 3.3.3.1). Se requiere determinar el contacto entre las diversas unidades litoestratigráficas, su orientación, los ejes de las estructuras y las fallas, el estudio estadístico de las discontinuidades, su orientación, espaciamiento, relleno y condición. Se detalla la ubicación de áreas inestables, escarpes de deslizamiento, zonas de reptación, grietas, etc. Localización de zonas de humedad, manantiales, aljibes y pozos de agua, el nivel del agua subterránea en los mismos, su caudal y la calidad química del agua. De cada unidad litoestratigráfica se recomienda realizar secciones delgadas para descripción petrográfica. Se realiza el estudio geológico detallado de portales a escala 1: 500 o 1:250.

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Se prepararán mapas geológicos, columnas estratigráficas y cortes geológicos verticales transversales y longitudinales al eje del túnel (mínimo cada 100 m).

3.3.6.2 Perforaciones El número y longitud de las perforaciones dependerá de la extensión de los túneles, estos están enfocados a disminuir las incertidumbres remanentes de las fases anteriores. El mínimo de perforaciones a realizar se presenta en la Tabla 3-2. La decisión final sobre el número de perforaciones a realizar debe ser tomada de manera conjunta entre el diseñador y el interventor de los diseños, con base en la propuesta inicial por parte del diseñador contenida dentro del informe “Planeación y alcances de la campaña de exploración”, donde se precisa el número de las perforaciones y la justificación para cada una de ellas. Una vez terminada cada perforación se harán ensayos de permeabilidad Lugeon en cada cambio de material. Se instrumentarán las perforaciones con piezómetros.

3.3.6.1 Sísmica Dependiendo de la extensión del proyecto de túnel se definirá el número de líneas de sísmica de minino 100 m de longitud cada una. En la fase III se deberá emplear un explosivo químico. Para cada línea sísmica se realizarán mínimo cinco disparos en diferentes ubicaciones sobre la línea. Este método permite una interpretación detallada y una medida de la velocidad sísmica en la roca en toda la sección, de manera que se puedan detectar cambios laterales de velocidad, los cuales puedan asociarse con fallas o zonas de mayor fracturamiento o meteorización. La interpretación se hará con métodos manuales y de computador. El resultado final consistirá en unos perfiles detallados de velocidades sísmicas, correspondientes a los ejes de las líneas seleccionadas.

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Tabla 3-2 Número mínimo de perforaciones

Tipo de Roca Ígneas Sedimentarias Metamórficas

Tipo de Roca Ígneas Sedimentarias Metamórficas

Tipo de Roca Ígneas Sedimentarias Metamórficas

Tipo de Roca Ígneas Sedimentarias Metamórficas

Número Mínimo 2 3 2

LONGITUD DEL TÚNEL < 500 m Profundidad Tipo Observaciones Mínima (m) 40 H Área de portales 30 H Área de portales: mínimo una transversal 30 H Área de portales

Número Mínimo 2 1 3 2 2 1

LONGITUD DEL TÚNEL 500 m a 1000 m Profundidad Tipo Observaciones Mínima (m) 40 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales: mínimo una transversal 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1

Número Mínimo 2 2 3 4 2 3

LONGITUD DEL TÚNEL 1000 m A 5000 m Profundidad Tipo Observaciones Mínima (m) 40 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales: mínimo una transversal 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1

Número Mínimo 2 4 3 6 2 5

LONGITUD DEL TÚNEL > 5000 m Profundidad Tipo Observaciones Mínima (m) 40 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales: mínimo una transversal 75 V/I Ver Nota 1 30 H Área de portales 75 V/I Ver Nota 1

Convenciones H: Horizontal, I: Inclinada y V: Vertical Nota 1: Intermedia por cada formación rocosa que cruza el túnel, Valles topográficos y/o zonas de falla, donde el geólogo o geotecnista lo consideren adecuados. La profundidad puede aumentar dependiendo del propósito de la perforación.

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3.4

COMPONENTE HIDROGEOLÓGICO

Las investigaciones hidrogeológicas buscan desarrollar un modelo hidrogeológico que permita evaluar la influencia de un nuevo elemento (túnel) dentro del equilibrio hidráulico que existe en el terreno. Este modelo permite a su vez cuantificar caudales de infiltración en el túnel y comprender los efectos ambientales que se puedan presentar en el entorno. En general las investigaciones que se deben llevar a cabo desde el punto de vista hidrogeológico para cada una de las etapas del proyecto deberán corresponder a aquellas exigidas por las autoridades ambientales, pero podrán variar dependiendo de las exigencias técnicas para el proyecto específico. Por lo tanto, durante la ejecución de cada una de las etapas del proyecto se deberá consultar con la entidad técnica competente. Las exigencias deben estar reflejadas dentro del documento “Planeación y alcances de la campaña de exploración”. Los sistemas hidrogeológicos corresponden a sistemas hidrodinámicos que se recuperan permanentemente, debido a la infiltración de las lluvias existente en el ciclo hidrológico [1]. Los sistemas hidrogeológicos involucran diferentes grupos de rocas permeables (acuíferos), poco permeables (acuitardos) y no permeables (acuicierres), que permiten el tránsito y la acumulación del agua subterránea dentro de las mismas, además de su interacción con el exterior por medio de ingresos (recargas) y salidas (descargas). Las salidas de un sistema hidrogeológico se dividen en: tipo natural (manantiales) y tipo artificial (pozos y drenajes que involucran el nivel freático). En este caso, el túnel en el proceso de excavación corresponde a una nueva salida del sistema, y pueden generarse efectos ambientales serios en el flujo del agua subterránea, o efectos en las salidas naturales [55], o en la generación de nuevas direcciones de flujo que pueden afectar las rocas existentes [56]. El condicionamiento geológico en la hidrogeología es fuerte, y por tal motivo el estudio debe incluir el reconocimiento de las unidades geológicas a detalle, así como las fallas, pliegues y eventos dinámicos (deslizamientos o zonas de inundación) son esenciales

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para el ingreso de información geológica en los modelos hidrogeológicos que se desarrollen [1, 57]. Otros elementos necesarios en la generación de modelos hidrogeológicos, que están involucrados en el desarrollo de la fase de diseño del túnel, son las perforaciones exploratorias y los métodos geofísicos tales como sísmica y geoeléctrica [58]. Unidos a estas técnicas, están además: el reconocimiento de campo realizado por medio del inventario de puntos de agua; la medición de los niveles freáticos en los piezómetros construidos durante la fase de diseño; y la recolección de muestras de agua para su posterior clasificación. Todas estas herramientas permiten fortalecer un modelo hidrogeológico conceptual, que identifique las direcciones de flujo del agua subterránea y los diferentes acuíferos, acuitardos y acuicierres que constituyen el sistema hidrogeológico. Los objetivos de la investigación hidrogeológica son los siguientes: 

Determinar los parámetros necesarios para construir el modelo hidrogeológico de un proyecto de túnel de carretera.



Caracterizar físico-químicamente las muestras de agua para desarrollar el modelo hidrogeológico.



Realizar el inventario de puntos de agua subterránea dentro de las fases iniciales del modelamiento hidrogeológico.

Es importante recalcar que el principal problema que puede llegar a ocurrir en un sistema hidrogeológico es que el túnel se vuelva una salida del sistema, tal como ya ha sido reportado en la literatura [55, 59-63].

3.4.1 Personal Sugerido El desarrollo del componente hidrogeológico debe ser realizado por personal idóneo, con capacidades y conocimientos amplios en hidrogeología en obras civiles, de infraestructura, exploración o explotación de recursos naturales. El personal sugerido para realizar las actividades está referenciado en la Tabla 3-3.

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Tabla 3-3 Personal Sugerido para Elaborar el Componente Hidrológico.

Perfil Geólogo Sénior (Más de 10 años de experiencia), Hidrogeólogo, Ingeniero Geólogo

Actividades Dirección Componente hidrogeológico, Direcciones de Flujo, Mapa Hidrogeológico, Análisis de Vulnerabilidad de Acuíferos, Modelos Hidrogeológicos, Análisis de Instrumentación de Niveles. Inventario de Puntos de Agua, Parámetros

Geólogo Júnior, Hidrogeólogo, Ingeniero Geólogo

Hidráulicos, Direcciones de Flujo, Mapa Hidrogeológico, Modelos Hidrogeológicos, Análisis de Vulnerabilidad de Acuíferos.

Hidrólogo

Balance Hídrico Inventario de Puntos de Agua, Muestreo Físico-

Técnico

Químico, Parámetros Hidráulicos, Instrumentación de Niveles.

3.4.2 Balance Hídrico Se debe realizar el balance hídrico de la zona de estudio, considerando los parámetros de la cuenca, para obtener los datos de infiltraciones en el sistema. El balance hídrico se debe realizar en la fase I y actualizar en las fases II y III del diseño. En la fase I se hará recolección y generación de un balance hídrico con la información secundaria existente, principalmente con los datos recolectados por estaciones meteorológicas, IDEAM y Corporaciones Autónomas. En las fases II y III se actualizará con mediciones de caudal en corrientes superficiales y pruebas de infiltración; para las últimas se recomienda aplicar la técnica de anillos concéntricos. El balance hídrico requiere como insumo el Estudio Hidrológico del Proyecto, con énfasis en los siguientes elementos: 

Inventario de las fuentes hídricas superficiales que están sobre el trazado del túnel.

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

Estimación de niveles y caudales de las corrientes superficiales.



Tasas de infiltración en los diferentes tipos de materiales.

El estudio hidrológico debe estar disponible para elaborar el modelo hidrogeológico en la fase II del diseño, y debe actualizarse en la fase III. Se debe realizar una proyección climática para la zona del proyecto que considere los efectos del cambio climático en época de estiaje y de lluvias.

3.4.3 Inventario de Puntos de Agua Dentro del área de influencia directa del túnel se debe determinar la presencia de diferentes puntos de agua subterránea, los cuales pueden servir como captación para la comunidad o ser simplemente afloramientos de los niveles freáticos embebidos dentro de las diferentes unidades hidrogeológicas. El inventario se realiza durante la fase II, y debe actualizarse en la fase III, sobre la zona de influencia directa de cada trazado. La determinación del área de influencia directa del túnel debe incluir el estudio de los siguientes factores: 

Litologías



Disposición estructural (rumbos y buzamientos)



Trenes de fallas y diaclasamientos



Topografía



Cobertura del túnel

Todos los factores deben observarse en contexto con la cobertura del túnel. Es decir, no es la misma área de influencia de un túnel con cobertura de 50 m que uno con cobertura de 1 km. Sin embargo, en el caso de coberturas pequeñas, siempre debe respetarse un área mínima, con franjas de 50 m a cada lado del eje del trazado en la fase II y 150 m a cada lado en la fase III. El inventario de puntos de agua debe estar enfocado en conocer los niveles piezométricos, la cantidad de puntos y su distribución espacial, para establecer

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principalmente la dirección del flujo del agua subterránea. El inventario también sirve para reconocer los usos del recurso hídrico subterráneo. El inventario debe reunir las siguientes condiciones: 

El inventario debe realizarse usando GPS, una sonda multiniveles para determinar la posición del nivel de agua con respecto al nivel del terreno, y una sonda multiparámetros, la cual debe determinar como mínimo la temperatura, conductividad eléctrica, pH y oxígeno disuelto.



El inventario debe seguir los formatos establecidos por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales y el Servicio Geológico Colombiano, el Formato Único de Inventario de Puntos de Agua Subterránea [64].

Los puntos de agua deben separarse en: manantiales, aljibes y pozos, tal como se define a continuación: 

Manantiales

Los manantiales son puntos o áreas de la superficie del terreno donde de manera natural aflora un flujo de agua proveniente de un acuífero o embalse subterráneo [2]. Los manantiales deben clasificarse en las siguientes categorías:  Manantiales por contacto geológico: Este tipo de ocurrencia se da cuando hay una formación permeable sobre un estrato o formación de baja permeabilidad, resultando un manantial en el contacto entre ambos.  Manantiales por control estructural: Este tipo de ocurrencias se producen a partir del movimiento relativo entre bloques a lo largo de fallas que yuxtaponen formaciones permeables versus formaciones impermeables.  Manantiales por depresión: Este tipo de ocurrencia se da cuando la superficie del terreno se encuentra por debajo de la tabla de agua, formando una depresión, la cual puede crear un sistema de flujo local convirtiendo el manantial en un punto de descarga.  Manantiales kársticos: Este tipo de ocurrencia se da sobre formaciones de calizas y dolomitas, donde comúnmente los manantiales descargan hacia cavernas que están siendo disectadas por la incisión de los drenajes superficiales. 

Aljibes

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Los aljibes corresponden a excavaciones antrópicas las cuales tienen como objetivo captar el flujo de las aguas subterráneas en los niveles más superficiales. Se caracterizan por su escasa profundidad, pues normalmente no exceden los 15 o 20 m y por tener un diámetro alrededor de 1 m. Este tipo de captación se hace normalmente sobre depósitos no consolidados (cuaternarios). 

Pozos

Los pozos son perforaciones revestidas, las cuales tienen como objetivo captar flujos de agua subterránea en los niveles más profundos del acuífero de interés. Se caracterizan por tener profundidades superiores a los 20 m y diámetros entre los 8 y 60 cm.

3.4.4 Muestreo Físico-Químico El objetivo principal de este análisis es inferir la relación de las aguas subterráneas mediante la medición de la calidad fisicoquímica de dichas aguas, sobre muestras tomadas de los niveles acuíferos captados. El proceso de toma de muestras de agua debe realizarse durante la fase II de los estudios, y actualizarse en la fase III. La distribución espacial del análisis fisicoquímico en el área de influencia directa del túnel debe tener en cuenta los diferentes puntos de captación de aguas subterráneas, la disponibilidad de puntos adecuados para el análisis, las líneas de flujo de agua subterránea, y las unidades hidrogeológicas presentes. Cabe resaltar que los lugares analizados deben mostrar una representatividad general; además, deben caracterizar la calidad de las aguas subterráneas contenidas dentro del acuífero principal, las cuales surten las actividades domésticas y pecuarias de la comunidad en la zona. Se recomienda realizar un muestreo de 5% de los puntos de agua encontrados en el inventario. Este muestreo debe incluir por lo menos 1 muestra por cada unidad

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hidrogeológica. Deben tenerse en cuenta los puntos más vulnerables en los aspectos social y ambiental, tales como: toma de acueductos veredales, casas y manantiales. La toma de la muestras de agua se realizará bajo los protocolos del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). De manera similar, las muestras deben analizarse en un laboratorio con certificación vigente ante este instituto. Los parámetros que deben analizarse se encuentran en la Tabla 3-4. La caracterización química de las muestras de agua subterránea debe hacerse mediante los Diagramas de Stiff y de Piper. La caracterización debe incluir una correlación entre puntos de características similares, asociados a los diferentes acuíferos en el área de influencia directa del túnel.

3.4.5 Parámetros Hidráulicos: Pruebas de Bombeo Una prueba de bombeo es una herramienta común, utilizada en hidrogeología para determinar los parámetros hidráulicos. Estas pruebas se ejecutan en los pozos existentes identificados en el inventario de puntos de agua. Debe realizarse al menos una prueba de bombeo por cada unidad acuífera reconocida. Las pruebas de bombeo se deben llevar a cabo en la fase III. Una prueba de bombeo evalúa las características hidráulicas del sistema pozoacuífero, y consiste en estimular el pozo por medio de un bombeo continuo y/o escalonado, para observar la respuesta en el mismo pozo (descenso y posterior ascenso de niveles) y en pozo(s) de observación si es posible. Se debe realizar la prueba extrayendo el agua del pozo, a una tasa constante, por lo menos durante un periodo de 24 horas o hasta que el pozo se estabilice, es decir, que los niveles paren de descender. En el proceso deben medirse cuidadosamente los descensos de los niveles de agua en el pozo de la prueba y en los pozos de observación en caso de que existan. Posteriormente, una vez suspendido el bombeo, se debe medir la recuperación del nivel del agua del pozo hasta 24 horas o cuando iguale el nivel inicial (nivel estático) [65, 66]. Los parámetros hidráulicos del acuífero deberán incluir:

3-34

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

Conductividad hidráulica



Capacidad Específica



Transmisividad



Tipo de acuífero (libre, confinado, semiconfinado, etc.)

Cuando se han identificado puntos de agua subterránea en el inventario, pero no se dispone de pozos construidos en el área de influencia directa del túnel, se recomienda instalar piezómetros y ejecutar pruebas “slug” para obtener los parámetros hidráulicos del acuífero. Por consideraciones económicas es conveniente construir estos piezómetros en puntos correspondientes a la red de monitoreo proyectada para la fase de construcción.

Tabla 3-4 Parámetros a analizar en muestras de agua subterránea.

Parámetro

Unidades

Alcalinidad

mg/L

Calcio

mg/L

Cloruros

mg/L

Conductividad Eléctrica

uS/cm

Fenoles Totales

mg/L

Hierro Total

mg/L

Magnesio

mg/L

pH

N. A.

Sodio

mg/L

Sólidos Totales

mg/L

Sulfatos

mg/L

Salinidad

ppt

Sulfuros

mg/L

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3.4.6 Direcciones de Flujo Se debe realizar un análisis de patrones de flujo de agua subterránea teniendo en cuenta los efectos de la geometría de la cuenca y de la geología sobre los niveles piezométricos y las isopiezas. Este análisis debe realizarse durante la fase II de los estudios, y actualizarse en la fase III. Para definir las direcciones de flujo deben tenerse en cuenta los siguientes factores: 

Efectos de la geometría de la cuenca (límites y forma de la cuenca, cabeza hidráulica y profundidad relativa de la cuenca [67]).



Efectos de la geología (estratificación, aparición de lentes y anisotropía [68]).



Efectos de las fallas (permeabilidad de la falla, grosor de la zona de falla, permeabilidad de las rocas en contacto con la falla, buzamiento y orientación de la falla).

3.4.7 Mapa Hidrogeológico Se debe realizar un mapa hidrogeológico, en la misma escala del mapa geológico. Este mapa se debe elaborar en la fase II y actualizarse en la fase III. En el mapa deben identificarse los siguientes elementos: 

Unidades hidrogeológicas



Zonas de recarga y descarga



Puntos de agua



Direcciones de flujo del nivel freático



Isopiezas

Este mapa debe elaborarse con los estándares del Servicio Geológico Colombiano.

3.4.8 Vulnerabilidad de Acuíferos En la fase II se debe elaborar un análisis de vulnerabilidad de acuíferos. Este análisis considerará el tipo de acuífero o modo de confinamiento u ocurrencia del agua subterránea; la litología de la zona no saturada; y la profundidad del agua subterránea

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o del acuífero. El análisis de vulnerabilidad de acuíferos debe actualizarse en la fase III de los estudios y diseños. Es necesario reconocer la vulnerabilidad de los acuíferos relacionada con la polución que pueda afectar la tabla de agua, la naturaleza de los estratos geológicos que conforman el acuífero, y la profundidad de la zona no saturada o el espesor de los depósitos confinados [69]. Aunque existen varias metodologías, el análisis debe estar enfocado en el método GOD, el cual involucra las características intrínsecas del medio con la vulnerabilidad intrínseca, esto es, la sensibilidad del acuífero para ser afectado por una carga contaminante [70].

3.4.9 Etapas del Modelo Hidrogeológico Un modelo hidrogeológico se puede generar en varias etapas. Una primera etapa de modelo hidrogeológico conceptual, y una fase posterior numérica. Un modelo hidrogeológico conceptual es la representación gráfica del sistema de flujo del agua subterránea, frecuentemente en forma de bloque diagrama o en un corte. En la fase II se generará el modelo conceptual que incluye: la caracterización físicoquímica, los parámetros hidráulicos de cada unidad, las posiciones del nivel freático, las superficies piezométricas y las direcciones de flujo del agua subterránea. De igual manera deben de tenerse en cuenta las áreas de recarga y descarga, identificadas en el mapa hidrogeológico con base en el inventario de puntos de agua. El propósito de la creación de un modelo conceptual es simplificar el entendimiento hidrogeológico a partir de la organización sistemática de los datos. El modelo hidrogeológico conceptual se actualiza en la fase III. Para actualizar el modelo hidrogeológico conceptual en la fase III se integran los datos de las fases I y II del área de influencia directa del túnel, con todos los componentes obtenidos en la fase III y, además, los siguientes productos obtenidos durante las otras actividades de Investigación y Exploración: 

Mapa geológico

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

Prospección geofísica (sondeos eléctricos verticales, sísmica o tomografías eléctricas)

Posteriormente se genera el modelo hidrogeológico numérico, que es la representación matemática del sistema de flujo del agua subterránea. Este modelo se enfoca en los valores de los parámetros hidráulicos y la geometría de los acuíferos. El modelo hidrogeológico numérico debe arrojar los valores de las salidas y efectos de la infiltración dentro del túnel a construir. Igualmente, se deben establecer los efectos en el flujo subterráneo que podría causar la construcción del túnel en el área de influencia directa del túnel. Debe considerarse la proyección, para la zona del proyecto, de los efectos del cambio climático en época de estiaje y de lluvias. El modelo hidrogeológico numérico se genera en la fase III y se actualiza en la fase de construcción del túnel. En la fase de construcción el modelo hidrogeológico numérico incluirá la información de la red de monitoreo de los niveles del agua subterránea construida en esta fase. Los cálculos estadísticos darán la medición del efecto del túnel sobre el nivel freático.

3.4.10 Instrumentación de Niveles de Agua Subterránea en la Fase de Construcción Con base en la información de las fases de diseño anteriores (I, II y III), y una vez se haya comprobado la presencia de agua subterránea, se debe establecer una red de monitoreo que permita observar el comportamiento de niveles de agua subterránea en el área de influencia directa del túnel. La red de monitoreo de niveles de agua subterránea en la fase de construcción tiene dos objetivos principales: Primero, reconocer el efecto del túnel dentro del modelo hidrogeológico generado. Segundo, tener conocimiento de las condiciones del sistema hidrogeológico en el caso de acciones legales por supuestas afectaciones. Los elementos que conformarán la red de monitoreo son los siguientes: 

Piezómetros en las paredes del túnel

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

Piezómetros en superficie



Seguimiento del inventario de puntos de agua

Se recomienda el esquema para el monitoreo en la construcción indicado en la Tabla 3-5.

Tabla 3-5 Red de Monitoreo.

Elemento

Longitud

Piezómetros Superficiales

10 metros o hasta superar el nivel freático por 3 metros.

Especificación

Cantidad: Mínimo 3 piezómetros. En túneles de más de 500 metros, 1 piezómetro adicional cada 250 metros.

Objetivo

Nivel Freático

Espaciamiento: 25 metros con respecto al eje longitudinal del túnel, alternados uno aguas abajo y otro aguas arriba.

Toma de datos: lecturas semanales.

Piezómetros en las paredes del túnel

Según diseño o fabricación

Cantidad: Mínimo 1 piezómetro. En túneles de más de 500 metros, 1 piezómetro adicional cada 500 metros.

Niveles Acuíferos Inferiores

Toma de datos: lecturas semanales.

Inventario de puntos de agua

3.5

-

Toma de datos en el inventario de la fase III, cada 3 meses, que incluya mediciones de niveles piezométricos.

Niveles de acuíferos superiores e inferiores

INVESTIGACIÓN DE CONDICIONES AMBIENTALES

Estos estudios deben integrar la información adquirida acerca del ambiente social, humano y natural, así como las regulaciones y leyes generales que proveen restricciones a la construcción de proyectos, especialmente los que involucren las

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áreas vecinas en donde se planea la construcción del túnel. Sin embargo, en cualquier caso, será la legislación ambiental vigente la que rige en el proyecto, por encima de cualquier otra norma. Es necesario minimizar los efectos adversos de la excavación sobre el entorno natural (aguas subterráneas, aguas superficiales, flora y fauna), el entorno social (utilización de tierras, activos culturales, etc.) y el entorno humano (ruido, vibración y polución del aire). Los aspectos relevantes para preservar el ambiente deben incluirse desde la fase de planeación (hasta la de mantenimiento y operación del proyecto), de manera que cubran el área de influencia del túnel. Por lo tanto la investigación ambiental involucra tres aspectos: 

Conocer las condiciones ambientales, humanas y sociales que pueden ser afectadas por la construcción y posterior uso del túnel.



Mediciones para el control de la polución y la preservación ambiental con el fin de prevenir efectos en las comunidades circundantes.



En planeación de proyectos a gran escala para los cuales la valoración ambiental requiere leyes y regulaciones, el efecto sobre el ambiente debe ser exhaustivamente valorado y pre-establecido.

En general las investigaciones que se deben llevar a cabo desde el punto de vista ambiental y local para cada una de las etapas del proyecto, deberán corresponder a aquellas exigidas por las autoridades ambientales nacionales y éstas podrán variar dependiendo de cada proyecto específico. Por lo tanto, durante la ejecución de cada una de las etapas del proyecto se deberá consultar con la entidad encargada sobre sus requerimientos, e incluirlos como tal dentro de las actividades que se estén desarrollando, presentando para ello la metodología y plan de investigación respectivo para aprobación del cliente o dueño del proyecto.

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4 DISEÑO

4.1

GLOSARIO

Andén: franja longitudinal al interior del túnel, destinada exclusivamente a la circulación de peatones en caso de emergencia o para labores de mantenimiento. Avance de excavación: distancia, paralela al eje del túnel, de excavación por ciclo Calzada: zona de la vía destinada a la circulación de vehículos. Carril: parte de la calzada destinada al tránsito de una sola fila de vehículos. Cobertura: corresponde a la dimensión en términos de longitud vertical u horizontal comprendida entre la superficie del área excavada en el túnel y la superficie del terreno natural, esta puede ser cobertura vertical y/o lateral, según sea el caso. Comportamiento del terreno: Reacción del terreno a la excavación en sección completa sin consideraciones de secuencia de excavación o medidas de soporte. Comportamiento del sistema: comportamiento que resulta de la interacción entre el terreno y el sistema de soporte. Corete: Círculo de cuero que se instala en las cabezas de los pernos para poderlos tapar. Curva horizontal: unión entre dos tangentes horizontales consecutivas. Puede estar constituida por un empalme básico o por la combinación de dos o más de ellos. Curva vertical: unión entre dos tramos de diferente pendiente. Generalmente se construye con una curva parabólica, que permite evitar sobresaltos de vehículos durante la transición entre los tramos, porque produce un cambio constante de la pendiente.

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Diagnóstico Ambiental de Alternativas: evaluación de tipo ambiental que permite evaluar y comparar las diferentes opciones de trazado, bajo las cuales sea posible desarrollará un proyecto, obra o actividad. Diseño en planta: proyección sobre un plano horizontal del eje real o espacial. Dicho eje está constituido por una serie de tramos rectos o tangentes, enlazados por trayectorias curvas. Diseño en perfil: proyección del eje real o espacial de la vía sobre una superficie vertical paralela al mismo. Estudio de Impacto Ambiental: estudio cuya finalidad es la determinación detallada de los efectos producidos por el proyecto vial, la elaboración del Plan de Manejo Ambiental, y el cálculo de los costos de las obras de mitigación ambiental. Frente de excavación: hace referencia a la superficie temporal (durante construcción) de terminación del túnel, usualmente perpendicular al eje del túnel. Gálibo: altura existente entre la superficie de rodadura y aquella línea imaginaria que limita la altura máxima permitida para el tránsito de vehículos al interior del túnel. Gunita: Mortero de similares propiedades del concreto neumático o proyectado, no incluye árido grueso Lectura cero: Primera medición de un parámetro físico dentro de la campaña de monitoreo. Lechada: suspensiones altamente concentradas de partículas sólidas en agua u otro solvente, con consistencia de un líquido viscoso y permite ser utilizado para rellenar cavidades y juntas entre materiales adyacentes. Método de excavación: consiste en el procedimiento de construcción seleccionado para la excavación del túnel. Método Observacional: revisión y actualización continua del diseño, considerando las condiciones del terreno encontradas durante la etapa de construcción.

4-2

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Modelo del Terreno: conjunto de los diferentes factores que caracterizan el área del proyecto (modelo topográfico, geológico, geotécnico, hidrogeológico). En este se reúnen todas las características y las condiciones predominantes del terreno. Monitoreo: medición de parámetros físicos. Nivel de servicio: refleja las condiciones operativas del tránsito vehicular en relación con variables tales como la velocidad y tiempo de recorrido, la libertad de maniobra, la comodidad, los deseos del usuario y la seguridad vial. Observación: recolección en campo de información cualitativa o cuantitativa. Propiedades relevantes del terreno: son aquellas propiedades del terreno que dictan su comportamiento y modo de falla. Revestimiento definitivo: estructura permanente que se construye posterior a la estabilización total de la excavación. Róndelas: discos del mismo material de la membrana impermeabilizante sujetados por medio de clavos al concreto neumático o a la cara de la roca. Actúan como fijaciones para, en conjunto con la soldadura térmica, soportar la membrana alrededor el túnel. Sección transversal de servicio: sección en la cual se encuentran definidos los elementos geométricos necesarios para la adecuada operación y mantenimiento al interior del túnel. Secuencia de excavación: combinación de avance de excavación (longitudinal) y división o seccionamiento del área transversal del túnel. Sistema de soporte: es el conjunto de elementos de soporte y secuencia de excavación que se emplean para lograr la oportuna estabilización del túnel, previo a la instalación del revestimiento definitivo. Solera “Invert”: consiste en la excavación curva que se construye en la parte inferior túnel.

4-3

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Soporte primario: se refiere a todas aquellas medias de soporte implementadas durante la excavación, previas a la instalación del revestimiento definitivo Subsidencia: proceso mediante el cual se altera la superficie del terreno natural debido a cambios inducidos en el terreno como consecuencia de la excavación de túneles con baja cobertura. Suelo: material producto de la acumulación de partículas sólidas inorgánicas con presencia esporádica de material orgánico. Terreno: término general para referirse al material en el que se excava el túnel. Vástago: Longitud libre de la varilla o perno de refuerzo. Fases de excavación: la Figura 4-1, Figura 4-2 y Figura 4-3 muestran las fases de excavación típicas de un túnel.

Figura 4-1 Fases de excavación - Sección transversal típica

4-4

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Figura 4-2 Fases de excavación - Sección longitudinal

Figura 4-3 Fases de excavación - Sección transversal con núcleo central

4-5

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4.2

GENERALIDADES

El diseño de un túnel vial incluye aspectos geométricos, ubicación y diseño de portales, diseño geomecánico, diseño del revestimiento, diseño del plan de monitoreo geotécnico, evaluación del riesgo y aspectos operacionales durante construcción y operación como monitoreo, suministro de energía, diseños electromecánicos, iluminación, etc. Los túneles viales de carretera deberán diseñarse desde el punto de vista geomecánico, de forma tal que los sistemas de soporte para cada terreno previsto sean versátiles, al tiempo que cumplan con los requerimientos específicos dados por las condiciones particulares de cada proyecto. El proceso del diseño debe ser consistente con los resultados obtenidos en las actividades de exploración e investigación (cap. 3), tomando en cuenta los requerimientos evaluados desde el punto de vista técnico, económico, de seguridad, ambientales y aspectos relacionados con la operación y manteniendo del túnel. El diseño de túneles viales de carretera es diferente, en sus fundamentos y métodos de diseño, de otro tipo de estructuras dentro de la ingeniería civil. Esto se deriva del hecho que las propiedades de los materiales son conocidas en detalle, en el caso del diseño de otras estructuras de ingeniería civil. En obras subterráneas la capacidad (aporte) del terreno constituye un parámetro importante para el diseño y difícil de estimar en detalle debido a la alta variabilidad del terreno y su composición. El proceso de diseño de un túnel debe involucrar todos los aspectos que de manera directa o indirecta influencian la estabilidad del túnel. Estos factores se pueden dividir en: 

Factores intrínsecos del terreno: condiciones, composición y características específicas de cada terreno. Estos dictan el comportamiento del terreno y son específicas para cada material (e.g., la relación volumétrica de bloques es un factor importante en materiales de tipo deposito pero insignificante para rocas). Dentro de estos factores es importante involucrar cualquier característica particular que dicte el comportamiento del terreno (parámetros relevantes).

4-6

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

Factores determinantes del estado de esfuerzos: el estado de esfuerzos es una componente fundamental dentro del diseño y debe ser cuidadosamente evaluada dentro de la campaña de investigación y exploración. Los factores que determinan el estado de esfuerzos igualmente son particulares para cada proyecto. (e.g., un túnel en un ambiente urbano está enmarcado por bajas coberturas y la influencia directa de estructuras aledañas al túnel; estos factores no juegan un papel importante para túneles carreteros profundos). De igual manera las condiciones de agua y orientación de las estructuras relevantes son factores que dictan el estado de esfuerzos y por lo tanto influencian el comportamiento de la excavación.



Factores socio-ambientales y requerimientos específicos: estos factores hacen parte de cualquier proyecto y establecen limitantes/requerimientos a cumplir dentro del diseño del túnel (e.g., asentamientos máximos, máximos niveles de ruido y/o vibraciones, protección de aguas subterráneas). En general la protección de los recursos naturales, aspectos bióticos, abióticos y ser humano.



Otros factores: existen factores particulares a un proyecto que igualmente influencian el comportamiento y que por lo tanto debe ser incluido dentro del diseño. (e.g., agentes corrosivos en el agua subterránea, cambios importantes de temperatura en el terreno, gases producidos dentro del túnel, practicas locales de construcción, experiencia de constructores, grado de incertidumbre de los materiales a excavar y calidad de los diseños preliminares)

Los factores anteriormente mencionados interactúan entre si y dictan los requerimientos a cumplir dentro del diseño. Se debe igualmente considerar la estabilidad del túnel a largo plazo, mediante la evaluación del deterioro en el tiempo, causado por la interacción de los factores anteriormente mencionados (características del terreno y de los materiales de soporte, nivel de esfuerzos y su interacción con agentes externos como el agua subterránea). Los túneles deben diseñarse combinando los elementos que se presentan a continuación, teniendo como prioridad la estabilidad de la obra en el corto y largo plazo. 1. Aspectos geométricos (alineamiento y geometría de la estructura)

4-7

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2. Modelo del terreno el cual reúne el modelo topográfico, geológico, geotécnico e hidrogeológico 3. Evaluación e identificación de riesgos inherentes del terreno 4. Definición de los requerimientos específicos del proyecto 5. Diseño de los elementos de soporte y secuencia de excavación que cumplan con los requerimientos establecidos 6. Diseño del revestimiento definitivo para la vida útil del proyecto 7. La vida útil del túnel debe considerar 100 años En líneas generales los diseños geomecánicos y estructurales para túneles viales de carretera deben garantizar la estabilidad durante la ejecución y posterior operación del túnel, para lo cual el túnel deberá incluir elementos auxiliares como ventilación, medidas de prevención de desastres, equipo de iluminación, señalización, entre otros, según se describen en el Capítulo 5 de este manual.

4.3

ASPECTOS DEL DISEÑO

Los túneles viales de carretera se deben diseñar de una manera que se controlen los posibles modos de falla del terreno. En general, los túneles viales de carretera deben diseñarse, comprendiendo de manera precisa los requerimientos particulares del proyecto, una evaluación integral de la seguridad, la eficiencia económica, la facilidad de la construcción, la durabilidad y el mantenimiento durante su operación. Independiente de la etapa en la cual se esté desarrollando el proyecto, el diseño de túneles viales de carretera para Colombia, en general deberá contemplar como mínimo los siguientes aspectos, teniendo en cuenta que los mismos variaran de acuerdo al impacto e intensidad de cada proyecto: 

Propiedades y comportamiento del terreno: en una etapa inicial se debe evaluar el comportamiento del terreno (posibles modos de falla) enmarcado por las características del terreno y las condiciones específicas del proyecto que influencian la excavación.



Determinación de los requerimientos a cumplir en cuanto a aspectos socio ambientales tales como: nivel de ruido y vibración, interrupción del tráfico, caída

4-8

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en los niveles de agua de ríos, quebradas y en el nivel freático, cambios en la calidad del agua y contaminación de la misma, subsidencia, y levantamiento del terreno, efectos sobre estructuras vecinas, efectos que puede producir un portal sobre el paisaje circundante, efectos en la flora y la fauna y el impacto en los alrededores, disposición de material producto de la excavación y de procesos constructivos, entre los más importantes. 

Evaluación de la actividad sísmica, especialmente en el caso de túneles excavados en depósitos del cuaternario o materiales de tipo suelo.



El efecto de las presiones del agua (presión de agua interna, presión de agua externa), nivel freático y cantidad de infiltraciones de agua.

El diseñador deberá presentar el enfoque y la metodología detallada previo al inicio de los trabajos ante la entidad contratante o a su representante, en un documento denominado “Reporte Geotécnico del diseño” (numeral 4.5.4).

4.4

DISEÑO GEOMÉTRICO

En este numeral se describen las recomendaciones y parámetros mínimos en cuanto al diseño geométrico de túneles viales de carretera. El diseño en planta perfil debe seguir las regulaciones del Manual de Diseño Geométrico del INVIAS en conjunto con las directrices que se presentan a continuación.

4.4.1 Criterios para la Localización del Túnel El diseño de geométrico de un túnel debe evaluar las ventajas y desventajas de la localización de la estructura dentro de un área determinada. De esta manera es posible determinar el trazado que disminuya los problemas asociados con la localización y orientación del túnel. Los factores más relevantes son [71]: 

Factores financieros:  Costos de construcción  Costos de mantenimiento y operación  Beneficios financieros

4-9

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

Factores técnicos y de movilidad:  Efectividad para resolver problemas geológicos, geotécnicos en superficie, aumentado sustancialmente los costos y riesgo de la operación de la vía a cielo abierto  Aspectos de seguridad para la movilidad (pendiente longitudinal, galerías de escape, iluminación, ventilación, estaciones SOS, etc.)  Intersecciones (rampas, galerías de escape, etc.)  Disminución o afectación en la movilidad de vías adyacentes durante y después de la construcción.  Riesgo por derrumbes, inundaciones, etc.  Problemas de tipo topográfico, geológico y geotécnico  Cronograma de ejecución y su impacto en la movilidad



Factores socio-ambientales:  Emisiones (ruido, gases)  Localización de los portales como puntos de concentración de emisiones (propagación de ondas sonoras)  Zonas de protección, conservación y de reserva  Uso de la tierra  Incidencia de la separación de comunidades  Antiguos rellenos  Impacto en el balance hídrico del área.  Impacto en las comunidades y asentamientos  Paisajismo

4.4.2 Diseño Geométrico en Planta El diseño geométrico en planta de un túnel vial de carretera está usualmente condicionado por el trazado geométrico de la vía existente. Sin embargo, se recomienda que el túnel sea uno de los factores determinantes para el ajuste del alineamiento en búsqueda de las mejores condiciones para la ubicación de portales, evitando zonas identificadas como potencialmente inestables o interferencias urbanas

4-10

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existentes, y orientando el túnel de manera favorable con respecto a estructuras geológicas importantes (e.g., zonas de falla). El diseño en planta incluye la verificación de las condiciones de visibilidad mínimas y señalización, tanto en los accesos como en el interior del túnel, a partir de la velocidad y de los criterios de diseño establecidos, obteniéndose así un diseño en planta y perfil acorde con los requisitos técnicos establecidos en el presente manual. El diseño geométrico en planta de un túnel vial de carretera y sus accesos deben contemplar aspectos como la localización de los portales y sus accesos, la visibilidad en curva en el interior del túnel, la distancia de parada, las curvas horizontales, y las conexiones con galerías al interior del túnel. Estos aspectos deben ser apropiadamente evaluados con el fin de lograr un diseño óptimo desde el punto de vista técnico-económico y de seguridad, de acuerdo con las políticas ambientales, de transporte y de planeación. Sin embargo, es importante anotar que este diseño estará eventualmente condicionado por factores de tipo geomorfológico y geológico, como también por las futuras condiciones de operación del proyecto como tal.

4.4.2.1 Radio mínimo de curvatura El radio de curvatura mínimo dentro del túnel depende de la visibilidad en curva al interior de este. Para este manual se adoptan las recomendaciones de la normativa austriaca “Richtlinien und Vorschriften fuer das Straßenwegen” [71]. El radio mínimo de curvatura está dado por la fórmula:

Rmin

DS + 4 · a2 3.65 = + 2 8·a

a =

3.65 + Bancho + Pdist 2

Rmin Radio de curvatura mínimo dentro del túnel [m] Ds Distancia de seguridad en túneles [m] (Tablas 4-1 y 4-2) Bancho Ancho de carril [m] (Tabla 4-5) Pdist Distancia entre el fin de la berma y la pared del túnel [m]. Generalmente aplica el ancho del andén (Tabla 4-5)

4-11

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La Figura 4-4 muestra esquemáticamente los parámetros para el cálculo del radio mínimo.

Tabla 4-1 Distancia de seguridad en túneles (modificado de [71])

VELOCIDAD (km/h)

60

70

80

90

100

Distancia de seguridad DS (m)

65

85

95

110

125

Tabla 4-2 Corrección de la distancia de parada según la pendiente (modificado de [71])

Velocidad Ve km/h 60 70 80 90 100

Distancia de seguridad en túneles DS (m) -6% 70 90 105 120 140

Descenso -4% -2% 68 66 88 86 100 98 118 114 134 128

-1%

1%

65 85 95 110 125

Ascenso 2% 4% 64 62 82 80 92 90 108 105 120 116

6% 60 78 88 100 112

Figura 4-4 Representación esquemática para el cálculo del radio de curvatura [71]

4-12

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En caso que la concepción y competencia del proyecto no permita la aplicación de los radios definidos en este manual, se deberán usar los radios definidos en el Manual de Diseño

Geométrico

del

INVIAS,

acompañado

de

un

análisis

de

la

visibilidad/señalización dentro del túnel (análisis de riesgo). Desde el punto de vista de la operación, se recomienda restringir la velocidad dentro del túnel a 80 km/h, o a la velocidad de operación de la vía de acceso, en caso que ésta sea menor de 80 km/h. Se recomienda este límite de velocidad dentro del túnel teniendo en cuenta el tipo de parque automotor, transporte de sustancias peligrosas sin restricciones y en general las condiciones de seguridad al interior del túnel. Cualquier cambio de los valores presentados debe estar soportado por un respectivo análisis de riesgo. Recomendaciones generales para el diseño geométrico en planta: 

Se recomienda solamente diseñar curvas del tipo espiral - circulo - espiral



Se debe evitar que el usuario visualice los portales a grandes distancias, por lo que se recomienda diseñar curvas horizontales en sus proximidades



En túneles de longitudes mayores 1500 m se recomienda diseñar mínimo una curva por cada 1500 m de longitud.



Túneles con longitudes menores de 200 m no deben presentar curvas horizontales dentro de su alineamiento.

4.4.3 Diseño Geométrico en Perfil El diseño geométrico en perfil de un túnel vial de carretera debe contemplar parámetros o factores que inciden en el nivel de servicio concebido para el proyecto tales como el drenaje, la emisión de gases, las curvas verticales y la definición de las pendientes máximas admisibles. El drenaje debe ser capaz de evacuar los caudales, tanto de las aguas de infiltración del terreno como de aquellas que ingresen al túnel por otros motivos, de tal manera que no disminuyan el nivel de servicio esperado. Deben adoptarse pendientes adecuadas, y minimizar o evitar la inclusión de curvas verticales cóncavas en el interior del túnel. Es importante tener en cuenta que la emisión de gases contaminantes

4-13

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aumenta progresivamente con la inclinación de la pendiente y que se hace excesiva a partir del 3%. Aunque las pendientes descendentes máximas no conllevan las consecuencias mencionadas, hay que tener en cuenta el “efecto chimenea” que ellas inducen y sus consecuencias en caso de incendio. La Tabla 4-3 presenta las pendientes máximas en túneles (ascendentes o descendentes) en Colombia, sugeridas a partir de la experiencia adquirida en el País en el diseño y construcción de obras de infraestructura. El uso de pendientes mayores a estos valores, deberán estar soportadas por un estudio de riesgos y seguridad. La pendiente longitudinal mínima para túneles de carreteras es del 0.5%.

Tabla 4-3 Pendientes máximas para túneles viales de carretera en Colombia

LONGITUD TÚNEL (m) 3000

5

4

3

6

5

4

3

Salvo que las condiciones del proyecto lo impidan, el túnel se debe diseñar de tal manera que el drenaje se logre por gravedad. Las curvas verticales para el empalme con los portales deben cumplir con los radios mínimos de la Tabla 4-4.

Tabla 4-4 Radios mínimos verticales [71]

VELOCIDAD (km/h)

60

70

80

90

100

Distancia de seguridad DS (m) 3000 4000 5000 6500 8000

4.4.4 Secciones Transversales de Servicio Las secciones que se describen a continuación deben ser evaluadas dentro de la etapa del diseño geomecánico. Este diseño debe respetar las dimensiones a las cuales se hace referencia a continuación. Se resalta que las secciones de servicio, por definición, constituyen un área libre dentro de la sección transversal del túnel, por lo que el dimensionamiento general del túnel debe tener en cuenta, no solamente las

4-14

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secciones descritas en este numeral, sino también las áreas mínimas requeridas para el correcto funcionamiento de los sistemas electromecánicos.

4.4.4.1 Secciones del cuerpo del túnel En Colombia, la Ley 105 de 1993 especifica que el ancho de carril en las vías nacionales será de 3.65 m, razón por la cual en Colombia se asume este valor para el ancho de carril dentro del túnel. El gálibo vehicular mínimo en los túneles viales de carretera en Colombia se concibe a partir del mínimo especificado para los puentes de la red vial nacional, el cual en su última versión estipula un valor de 5.0 m. El valor mínimo de ancho del andén para los túneles viales de carretera hasta 1000 m de longitud es de 0.75 m. Para túneles con longitudes mayores se requiere un ancho mínimo de 0.9 m. El ancho de la berma constituye el aumento en la sección transversal de una calzada, este ancho se establece entre 0.35 m y 0.40 m dependiendo de la categoría del túnel, el ancho no debe sobre pasar los 0.50 m. Estas dimensiones han sido formuladas con base en la experiencia adquirida en este tipo de obras de infraestructura en el país y las recomendaciones generales de normativas internacionales. A continuación se resumen las dimensiones mínimas para cada uno de los parámetros mencionados en túneles viales de carretera en Colombia.

4-15

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Tabla 4-5 Sección transversal de los túneles de carretera en Colombia

Longitud del túnel (m)

CARRIL

BERMA

ANDEN

GALIBO

ANCHO TOTAL

(m) [C]

(m) [Bancho]

(m) [A]

(m) [G]

(m) [Atot]= 2(C + Sancho)

> 3000

3.65

0.4

0.9

5

8.1

1000-3000

3.65

0.4

0.9

5

8.1

500-1000

3.65

0.3

0.75

5

7.9

300-500

3.65

0.3

0.75

5

7.9

< 300

3.65

0.3

0.75

5

7.9

Figura 4-5 Sección transversal de servicio túneles carreteros en Colombia

4.4.4.2 Bahías de parqueo Las bahías de parqueo permiten el estacionamiento temporal de vehículos que presenten averías dentro del túnel, permitiendo la libre circulación dentro del túnel. Localización: se localizan a una distancia máxima de 1000 m del portal y con una separación entre ellas de máximo 1000 m. Su distribución dentro del túnel debe, en lo posible, ser simétrica entre portales. En túneles con trafico bidireccional, las bahías de parqueo se ubican intercaladas respetando la distancia máxima mencionada (1000 m) en cada sentido (ver Figura 4-6).

4-16

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Figura 4-6 Esquema localización bahías de parqueo

Figura 4-7 Sección transversal de servicio - Bahía de parqueo

La longitud mínima de las bahías de parqueo es de 40 m sin contar el muro deflector de transición, cuya longitud de transición es > 4 m en la entrada y > 8 m en la salida, como lo muestra la Figura 4-8.

4.4.4.1 Galerías de evacuación Estas galerías son utilizadas para la evacuación de los usuarios y prestación de servicios en casos de emergencia conectando el túnel principal bien sea con un túnel paralelo o directamente con la superficie. Las galerías se subdividen en: Galerías Peatonales (GP) y Galerías Vehiculares (GV).

4-17

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Localización: se localizan cada 500 m en túneles de longitud superior a 1000 m. En el caso de galerías vehiculares, la distancia máxima se establece en 1000 m. La pendiente máxima permitida para las galerías de evacuación es de 10% tanto para GV como para GP. La Figura 4-9 presenta la sección transversal de servicio para GV y GP.

Figura 4-8 Bahía de Parqueo

Figura 4-9 Sección transversal de servicio - Galerías de Evacuación

4-18

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4.4.5 Nichos Los nichos deben ser tenidos en cuenta durante el diseño. Estas estructuras necesitan un diseño particular que esté acorde con las dimensiones mínimas establecidas a continuación.

4.4.5.1 Nichos de emergencia SOS Los sistemas de llamada en caso de emergencia son un equipamiento estándar de las carreteras, no sólo en túneles o en tramos de concentración de riesgo. Los sistemas de llamado de emergencia se pueden construir con un nicho junto con el equipamiento necesario para una comunicación de emergencia con el centro de control, los nichos de emergencia deben tener unas dimensiones mínimas de 1.65 m Largo X 0.9 m Ancho x 2.2 m Alto (Figura 4-10). Estos pueden ser remplazados por postes SOS (numeral 5.14.3.1). Localización: En el tramo principal del túnel, máximo cada 250 m para túneles superiores a 500 m. En túneles con tráfico bidireccional, el sistema S.O.S se ubicará intercalado respetando una separación máxima (250 m) en cada sentido. Cuando los nichos de emergencia coincidan con las bahías de parqueo, el nicho debe ubicarse al final de la bahía procurando que quede en el centro del campo visual del conductor. Se debe suministrar al menos un sistema de llamada de emergencia S.O.S en cada galería de emergencia del túnel.

4.4.5.1 Nichos de control de incendio Las dimensiones mínimas de los nichos de control de incendio se presentan en la Figura 4-11 y Figura 4-12. Localización: El conjunto de Nicho + Hidrantes deberá instalarse máximo cada 250 m para túneles superiores a 500 m. Cualquier túnel con una longitud superior a 250 m debe contar con hidrantes en las zonas de portales. El conjunto de Gabinete +Manguera deberá ser ubicado máximo cada 50 m.

4-19

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Las especificaciones y localización del sistema de protección contra incendios se encuentran en el numeral 5.14.

Figura 4-10 Dimensiones Típicas del Nicho de Emergencia

Figura 4-11 Dimensiones Típicas de Nicho de Control de Incendio (Planta)

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Figura 4-12 Dimensiones de Nicho de control de incendio (perfil)

4.4.5.2 Nichos equipos eléctricos Los nichos eléctricos hacen parte del sistema eléctrico del túnel y corresponden a cuartos que albergan las subestaciones eléctricas para el suministro de potencia del túnel. Lo nichos eléctricos deben impedir la entrada de personan no autorizadas, por lo que todos sus accesos deben tener puertas. 

Los túneles con longitudes menores o iguales a 500 m no deben contener nichos eléctricos, las subestaciones en estos túneles se deben disponer en la área de portales por fuera del túnel.



Se recomienda ubicaren túneles unidireccionales sobre el costado izquierdo del túnel respecto al sentido del flujo vehicular.



Deben contener una bahía de parqueo para los vehículos de mantenimiento y para evitar el cierre de un carril de túnel.

Figura 4-13 Configuración típica del nicho eléctrico

4-21

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4.5

DISEÑO GEOMECÁNICO

4.5.1 Generalidades Este capítulo presenta un procedimiento específico y consistente para el diseño de túneles en Colombia. El procedimiento está basado en la metodología austriaca para el diseño [72] modificado para ajustarse a las prácticas de diseño y productos finales que se esperan de la etapa de diseño en el país. El procedimiento presentado a continuación difiere de los esquemas de clasificación utilizados actualmente como base para la asignación de soporte y secuencias de excavación. Estos sistemas de clasificación conllevan problemas dentro del diseño y construcción al ser desarrollados teniendo en cuenta experiencias bajo condiciones específicas del terreno y esfuerzos [73-75]. La consecución de un diseño, y posterior construcción, de un túnel de manera económica, transparente y segura solo es posible integrando factores en cuanto a condiciones del terreno, requerimientos ambientales, condiciones de esfuerzos, etc. específicos de cada proyecto. El diseño geomecánico de un túnel vial de carretera deberá tener como objetivo fundamental dar cumplimiento a los requerimientos específicos del proyecto. Estos requerimientos hacen referencia al comportamiento del túnel durante excavación y operación. La etapa de diseño tiene una relación directa y depende de la etapa de investigación y exploración, durante la cual se define el modelo del terreno y se determinan las propiedades relevantes de los diferentes tipos de terrenos incluidos dentro de este modelo. El nivel de detalle, tanto del modelo como de las propiedades, depende de la fase del proyecto (cap. 3). El procedimiento inicia determinando los parámetros de entrada para el diseño, basados en las propiedades relevantes de cada terreno y factores que influencian la excavación, contenidos dentro del modelo del terreno; luego continúa con la determinación el sistema apropiado para dar cumplimiento a los requerimientos específicos del proyecto; y finaliza con la elaboración del documento reporte geotécnico del diseño, donde se reúnen todos los aspectos relevantes del diseño.

4-22

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La Figura 4-14 resume en un diagrama de flujo el procedimiento a seguir para el diseño geomecánico de túneles excavados convencionalmente.

4.5.2 Procedimiento para el Diseño El diseño tiene su pilar fundamental en el modelo del terreno el cual, antes de comenzar el diseño como tal, debe contener los diferentes tipos de terreno y todas aquellas condiciones que afectan el comportamiento de la excavación (e.g., agua subterránea, estructuras geológicas importantes,

condiciones de esfuerzos,

estructuras civiles en el área de afectación del túnel). La consecución del modelo del terreno apropiado para cada fase del proyecto se describe en detalle en el capítulo 3 de este manual.

4.5.2.1 Propiedades del Tipo de Terreno (Parámetros geotécnicos relevantes) El diseñador debe ser parte activa dentro de la consecución del modelo del terreno, y teniendo en cuenta los tipos de terreno encontrados, enfocar la investigación en las propiedades que dictan su comportamiento (parámetros geotécnicos relevantes)[29]. Dentro de la metodología de diseño presentada, el diseñador incluirá el procedimiento para la determinación de los parámetros necesarios para el diseño geomecánico, así como el procedimiento para la consecución de las propiedades del terreno (e.g., en rocas se presenta la determinación de parámetros del macizo a partir de las propiedades de la roca intacta). La metodología debe presentar el procedimiento estadístico y/o probabilístico empleado para la determinación de las propiedades del terreno que se consideren necesarias para adelantar el diseño en cada una de las fases.

4.5.2.1 Factores que influencian la excavación Se establecen los factores que influencian de manera directa el comportamiento de la excavación, como la condición de esfuerzos dada por la morfología (esfuerzos in-situ) y/o por cualquier estructura adyacente (cimentaciones, edificaciones, muros, etc.) que

4-23

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tengan algún impacto en la redistribución de esfuerzos. Adicionalmente se debe considerar la presencia de agua subterránea y la orientación relativa, con respecto a la orientación del túnel, de las estructuras geológicas (discontinuidades, fallas, etc.).

4.5.2.1 Determinación del Comportamiento del Terreno. La combinación de los factores mencionados anteriormente (características del material y factores que influencian la excavación) y la geometría específica del túnel (e.g., área de excavación, forma y localización) establecen el comportamiento del terreno. Es importante resaltar que para la determinación de este comportamiento no se tienen en cuenta secuencias de excavación ni medidas de soporte. Este comportamiento está relacionado con posibles modos de falla que posteriormente deben ser controlados mediante un adecuado diseño del sistema de soporte (elementos de soporte y secuencia de excavación). Posterior a la determinación del comportamiento del terreno, el diseñador deberá realizar, con la información disponible dependiendo de la fase del proyecto, la primera sectorización del túnel con base en comportamientos similares del terreno. La sectorización a adoptar también deberá ser documentada dentro de la metodología y criterios de diseño. Es importante resaltar que esta sectorización solo se refiere a los tipos de comportamiento. Los sistemas de soporte a implementar en el túnel se determinan con posterioridad (numeral 4.5.2.6), teniendo en cuenta los requerimientos específicos a cumplir. La sectorización que presente el diseñador, servirá para definir de manera general la variabilidad de los tipos de terreno a lo largo del alineamiento del túnel y el comportamiento o modo de falla esperado de los mismos, lo cual servirá de base para formular de manera preliminar el soporte y secuencias de excavación. Siguiendo los lineamientos establecidos por la ITA [76] “no se recomienda clasificar los sistemas de soporte, según el sistema basado en los valores del índice Q y RMR para rocas, que son obtenidos por la multiplicación o la adición de diferentes parámetros físicos”.

4-24

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MODELO DEL TERRENO EN EL ÁREA DE AFECTACIÓN DEL TÚNEL

DETERMINACIÓN DEL TIPO DE TERRENO Parámetros Geotécnicos Relevantes

FACTORES QUE INFLUENCIAN LA EXCAVACIÓN

Tamaño, forma, localización de estructuras Determinación de COMPORTAMIENTO DEL TERRENO

Diseño Geomecánico

Evaluación de las Condiciones Locales Definición de los requerimientos (RQ) Selección del concepto constructivo

Evaluación del Comportamiento del Sistema

Determinación en detalle de medidas constructivas y evaluación del COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA (CS)

CS

NO

cumple con

RQ SI

ESQUEMA DEL DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN

Determinación de CLASES DE EXCAVACIÓN

Distribución de CLASES DE EXCAVACIÓN

Especificaciones

Figura 4-14 Diagrama de flujo para el diseño de túneles

4-25

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Para la determinación del comportamiento del terreno se recomiendan los siguientes métodos de análisis: 

Análisis cinemático y/o Análisis de proyecciones estereográficas: para la determinación de sobre-excavaciones, caídas de cuñas y demás tipos de falla controlados por discontinuidades [77] [78].



Grado de utilización del terreno: comparación entre la resistencia del terreno y las condiciones de esfuerzos a las que está siendo sometido [79-81].



Mecanismo de falla: posibles mecanismos de falla deben ser descritos por lo menos de manera cualitativa (e.g., falla por cortante, falla por disgregación o desconfinamiento)



Métodos analíticos y numéricos: la selección del método analítico o numérico a utilizar debe hacerse en base a el mecanismo de falla esperado (e.g., una falla controlada por discontinuidades debe ser simulada por modelos numéricos que incluyan las discontinuidades -modelos numéricos discretos-)



Modelos a escala 4.5.2.2 Evaluación de las Condiciones Locales

Las condiciones locales están definidas como cualquier elemento no relacionado con las características geotécnicas, que influencia los procesos y métodos constructivos. Estas condiciones son particulares de cada proyecto y se refieren a las condiciones y practicas constructivas de cada región y/o contratista, que influencian la construcción del túnel. Por ejemplo, condiciones climáticas particulares de una región pueden dificultar el desarrollo de resistencia de algunos materiales de construcción. Otro caso, por ejemplo, son los contratistas sin experiencia en aspectos como el mejoramiento del terreno mediante congelamiento (en lo cual a la fecha no existe mucha experiencia en Colombia), por lo que sería necesario tener en cuenta dicha falta de experiencia. Las condiciones locales referentes al contratista, son relevantes para proyectos en los cuales se conoce el contratista antes de desarrollar el diseño, situación en la cual involucran las practicas constructivas dentro del diseño. Si no se conoce el contratista, como pasa en la mayoría de los casos, se asumirán condiciones promedio.

4-26

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4.5.2.3 Definición de los Requerimientos del proyecto (RQ) Los requerimientos del proyecto pueden ser generales, aquellos que cualquier proyecto debe dar cumplimiento (e.g., evitar el sobre esfuerzo en los materiales de soporte, garantizar la estabilidad de la excavación, garantizar la seguridad del personal) y particulares (e.g., limitaciones de asentamientos, protección de acuíferos -no se permite la caída del nivel freático-, restricciones con respecto a ruido, vibraciones). Generalmente, estas limitantes están contenidas dentro de códigos y regulaciones nacionales (numeral 1.4), pueden salir como exigencias para el licenciamiento ambiental o pueden ser asumidas y documentadas dentro de la metodología de diseño.

4.5.2.4 Evaluación del Comportamiento del Sistema Posterior a la evaluación del comportamiento del terreno y a la determinación de los requerimientos a cumplir, se debe evaluar el comportamiento del sistema, definido como la excavación de la sección teniendo en cuenta secuencias de excavación e implementación de soporte. El método debe ser evaluado para situaciones características. La evaluación debe incluir: 

Tipo de terreno



Factores que influencian la excavación



Métodos de mejoramiento del terreno



Sistemas de drenaje de agua subterránea



Método de excavación



Secuencia de excavación y soporte (delimitación de longitudes de avance) 4.5.2.5 Determinación detallada de Comportamiento del Sistema

medidas

constructivas

y

del

Se compara el comportamiento del sistema (interacción entre terreno, soporte, medidas adicionales y secuencias de excavación) y los requerimientos previamente establecidos.

4-27

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Adicional a los factores que influencian la excavación (numeral 4.5.2.1), los siguientes factores deben ser tenidos en cuenta durante este paso: 

Tiempo y posición de instalación del soporte, para de esta manera tener en cuenta las propiedades tiempo-dependiente de los materiales de construcción



Propiedades tiempo-dependiente del terreno, si aplica.

Los métodos de análisis recomendados incluyen: 

Soluciones analíticas



Métodos numéricos



Experiencia de estructuras similares bajo condiciones comparables

El método seleccionado debe permitir la comparación del comportamiento y los requerimientos, en cuanto a: 

La estabilidad de la excavación durante cada etapa del ciclo



Cumplimiento con los requisitos ambientales (asentamientos superficiales, vibraciones, emisiones, alteración del agua subterránea, etc.)



Que los desplazamientos calculados estén dentro de los limites admisibles (desplazamientos admisibles, compatibilidad con los elementos de soporte, etc.)

Cualquier análisis debe ser apropiadamente documentado y tener un formato que permita ser auditado. Es usual que los factores que influencian la excavación y las propiedades del terreno no estén disponibles como un valor determinístico sino como un rango o distribución probabilística. Esta situación debe ser incluida en el diseño mediante la implementación de un estudio paramétrico (estadística paramétrica). El diseño de los sistemas de soporte es un proceso cíclico, en cualquiera de sus fases, donde se busca cumplir con todos los requerimientos establecidos y a su vez la obtención de un proceso constructivo económico y seguro. Como producto de este paso se deben describir los diferentes comportamientos esperados del sistema, relacionados con unas condiciones características (e.g.,

4-28

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condiciones del terreno, área de excavación, secuencia de excavación, sistema de soporte). La descripción debe ser tal que permita su verificación durante la etapa de construcción. Típicamente esta descripción incluye: 

Características de los desplazamientos incluyendo: comportamiento “normal” del vector de desplazamiento (Magnitud y orientación) [82-84], desarrollo de desplazamientos con diagramas tiempo/distancia al frente de excavación para todas las etapas de excavación (sección superior, banca, solera, nichos, etc.).



La orientación de desplazamientos solo es posible determinarla si se cuenta con un monitoreo de desplazamientos absoluto (3D), no es posible su determinación por medio de medidas de convergencias (numeral 4.6.4.1)



Soporte requerido en el frente de excavación



Límites de subsidencia para el caso de túneles con bajas coberturas



Comportamiento del soporte (grado de utilización del concreto neumático, deformación de pernos y elementos dúctiles, etc.)

Finalmente este paso del diseño incluye el documento “Esquema de Diseño para Construcción”, donde se describe el procedimiento para el diseño incluyendo parámetros relevantes usados durante el diseño, criterios aplicados para la selección del soporte, métodos de excavación, etc. (el numeral 4.5.4.1 profundiza los alcances esquema).

4.5.2.6 Determinación y distribución de Sistemas de Soporte Los sistemas de soporte en esta etapa de los diseños están compuestas por los elementos de soporte y secuencias de excavación que cumplen con los requerimientos establecidos. Los diferentes sistemas de soporte se distribuyen a lo largo del alineamiento del túnel dividido en sectores con requerimientos similares en cuanto a excavación y soporte. Al final de esta etapa es posible el cálculo de las cantidades de obra. Esta sectorización, a diferencia de la sectorización presentada en el numeral 4.5.2.1, incluye los requerimientos específicos del proyecto y los respectivos sistemas de soporte. La distribución de sistemas de soporte debe considerar tanto las condiciones geológicas-geotécnicas como la heterogeneidad del terreno. La distribución se realiza

4-29

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con la situación más probable, la variación de los parámetros del terreno y la variación de los factores que influencian la excavación. En terrenos altamente heterogéneos, con múltiples cambios de sistemas de soporte, es usual homogenizar la distribución; si esto ocurre, se deben precisar las razones y consideraciones que conllevan la homogenización. Considerando que los sistemas de soporte cumplen con los requerimientos específicos para cada sector, es usual que un mismo comportamiento del terreno conlleve diferentes medidas de soporte y/o secuencias de excavación.

4.5.3 Nomenclatura Propuesta para los Sistemas de Soporte La nomenclatura propuesta está compuesta por 3 elementos: a) La sigla “ST” en referencia al Soporte Tipo, b) número entero en representación del comportamiento del terreno y c) número entero que representa el comportamiento del sistema, la Figura 4-15 muestra las 3 componentes.

Figura 4-15 Nomenclatura propuesta para los sistemas de soporte

Los tipos de comportamiento básicos del terreno (modos de falla) se presentan en la Tabla 4-6 [72]. El número que representa el comportamiento del sistema comienza con el valor N.COMP.SISTEMA= 1 y aumenta en intervalos definidos por N.COMP.SISTEMA+1 con el aumento de las medidas de soporte, para un comportamiento del terreno determinado.

4-30

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Ejemplo: Para el ejemplo se tiene un túnel con baja cobertura, cuyo mecanismo de falla potencial a lo largo de todo el túnel está caracterizado por “Falla por disgregación o desconfinamiento”. El túnel atraviesa una longitud determinada donde no se permiten asentamientos, ni abatimiento del nivel freático (requerimientos específicos). En este ejemplo dentro del túnel se tienen por lo menos dos sistemas de soporte ST8.1 y ST-8.2: ST-8.1, donde: ST = sigla de Sistema de Soporte Tipo 8= representa el comportamiento del terreno (modo de falla) “Falla por disgregación o desconfinamiento” 1= representa el sistema de soporte que cumple con los requerimientos del área donde no se tienen restricciones en cuanto a asentamientos o abatimiento del nivel freático. ST-8.2, donde: ST = sigla de Sistema de Soporte Tipo 8= representa el comportamiento del terreno (modo de falla) “Falla por disgregación o desconfinamiento” 2= representa el sistema de soporte que cumple con las restricciones en cuanto a asentamientos y abatimiento del nivel freático (requerimientos específicos). El sistema de soporte ST-8.2 conlleva elementos adicionales en comparación con el ST-8.1, debido a los requerimientos específicos en cuanto a asentamientos y abatimiento del nivel freático. Es posible que las condiciones específicas del proyecto requieran tipos adicionales de comportamiento, para estos casos se debe incluir una categoría adicional en conjunto con la descripción detallada del comportamiento.

4-31

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4.5.4 Reporte Geotécnico del Diseño Este reporte incluye la totalidad de las consideraciones realizadas durante el diseño, los métodos disponibles para la excavación y soporte, al igual que los límites y criterios para posibles variaciones o modificaciones durante la construcción. El reporte incluye aspectos tales como: 

Requerimientos del diseño en cuanto a excavación y soporte, criterios para el monitoreo durante construcción (Plan de monitoreo)



Plan de monitoreo incluyendo aspectos técnicos y organizacionales que permitan una comparación continua entre la condiciones reales y las previstas



Planes de mitigación para afrontar desviaciones del comportamiento del sistema

El reporte geotécnico debe contener como mínimo: 

Resumen de la investigación geológica y geotécnica, incluyendo la interpretación de resultados



Descripción de tipos de terreno y los parámetros relevantes asociados, definición de las características del terreno a medir (parámetros relevantes)



Descripción de los tipos de comportamiento y factores, asociados, que influencian la excavación. Análisis realizados y modelos geotécnicos usados para la determinación del comportamiento



Clara definición de los criterios a utilizar para la asignación de la secuencia de excavación y sistema de soporte a implementar.



Descripción del comportamiento del sistema en todas las etapas de construcción



Esquema de diseño para construcción (numeral 4.5.4.1)



Plan de seguridad geotécnica para construcción (numeral 4.6)

4-32

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Tabla 4-6 Categorías básicas de tipos de comportamiento del terreno [72]

Categorías básicas de Tipos de Comportamiento

Descripción del mecanismo potencial de falla (comportamiento del terreno) Terreno estable con potenciales desprendimientos localizados, inducidos por gravedad. Caída y deslizamiento de bloques inducidos por gravedad y controlados por discontinuidades. Incluye fallas localizadas en las discontinuidades por esfuerzo cortante. Falla poco profunda inducida por esfuerzos en combinación con fallas controladas por gravedad y por discontinuidades. Falla inducida por esfuerzos involucrando grandes volúmenes y grandes deformaciones.

1

Estable

2

Caída de bloques controlada por discontinuidades

3

Falla poco profunda inducida por esfuerzos

4

Falla profunda inducida por esfuerzos

5

Estallido de rocas (Rock burst)

Falla súbita y violenta del macizo causada por altos esfuerzos en rocas frágiles y la liberación súbita de energía acumulada.

6

Inestabilidad estructural

Pandeo o flexión de macizos enmarcados por discontinuidades con poca separación, asociado frecuentemente a fallas por esfuerzo cortante.

7

Falla en la clave

Desprendimientos de grandes volúmenes con falla progresiva inducida por cortante.

8

Falla por disgregación o des-confinamiento

Flujo con o sin presencia de agua de rocas, intensamente fracturado, o suelo con baja cohesión.

9

Flujo de material

10

Terrenos con materiales expansivos

11

Terrenos con variaciones extremas en nivel de esfuerzos y deformaciones

Flujo de rocas intensamente fracturadas o suelos con alto contenido de agua. Incremento del volumen del terreno, tiempodependiente, causado por una reacción físico-química de la roca y el agua en combinación con relajación de esfuerzos que conllevan convergencias en el perímetro del túnel. Combinación de múltiples comportamientos, con variaciones extremas de deformaciones y esfuerzos en amplios sectores, causado por la heterogeneidad del terreno (i.e. en fallas geológicas heterogéneas, BIMrocks -bloque en matriz-, melanges tectónicos).

4-33

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4.5.4.1 Esquema de diseño para construcción Este esquema se presenta dentro de un capitulo individual o como un documento adicional, en este se incluyen los criterios aplicados para la selección del soporte y métodos de excavación.

4.6



Modelo del terreno con la distribución de tipos de terreno en el perfil longitudinal



Procedimientos y métodos para la recolección de datos, evaluación, interpretación. Procedimiento a seguir en caso que se excedan valores límite.



Distribución de sistemas de soporte a lo largo del trazado del túnel



Sistemas de soporte (longitud de avance, secuencia de excavación, sobreexcavaciones permitidas, distancia de cierre de la sección -solera-, propiedades de los elementos de soporte, cantidad de soporte)



Definición, en términos de factores físicos (e.g., desplazamientos, asentamientos), del comportamiento del sistema esperado y los factores asociados (e.g., cobertura, orientación relativa de discontinuidades, presencia de agua). A manera de referencia, se presenta la Tabla 4-7 y Tabla 4-8. Los métodos de monitoreo se profundizan en el numeral 4.6.4.



Resultados esperados del monitoreo geotécnico y desviaciones aceptables (Valores máximos/mínimos, niveles de utilización de los materiales, niveles de implementación de medidas de mitigación, etc.)



Medidas de mitigación a aplicar en caso de desviaciones fuera de los límites definidos.



Descripción del procedimiento para determinar las condiciones adelante del frente de excavación



Definición de responsabilidades y procedimientos para reportar eventualidades

PLAN DE SEGURIDAD GEOTÉCNICA PARA CONSTRUCCIÓN

4.6.1 Generalidades El objetivo principal del plan de seguridad geotécnica es dictar los lineamientos a seguir para establecer la estabilidad del sistema y su impacto al medio ambiente, al igual que plantea un esquema organizacional para lograr una construcción económica y segura del túnel.

4-34

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El plan de seguridad geotécnica para construcción se desarrolla en la última etapa del diseño (fase III) para ser ejecutado durante la etapa de construcción, ya sea por parte de la interventoría o por un tercero que actúe en representación de la entidad contratante. La evaluación e interpretación de los resultados es una labor conjunta en la cual interviene un representante tanto del contratista como de la entidad contratante (numeral 6.5.2). El plan de seguridad geotécnica es particular de cada proyecto dependiendo de los factores que influencian la excavación y los requerimientos específicos del proyecto [85]. A manera de ejemplo, el monitoreo geotécnico para un túnel urbano (baja cobertura) se enfoca en determinar el grado de utilización y la posible ocurrencia de una falla súbita que conlleve a serias consecuencias en superficie. Por el contrario, para túneles con altas coberturas en roca, el grado de utilización del soporte no pone en riesgo la estabilidad del sistema, en consecuencia el monitoreo geotécnico se enfoca en el desarrollo de desplazamientos durante la excavación. La Tabla 4-7 sirve como referencia para la selección de variable para el monitoreo, la tabla presenta diferentes condiciones del comportamiento del sistema en conexión variables para el monitoreo, se observa la relevancia de la información para cada situación específica. Como referencia se incluye en la Tabla 4-8 el método a implementar en conexión con la variable para el monitoreo, en la tabla se observa la relevancia de la información obtenida por medio de cada método. Las técnicas para la evaluación e interpretación se presentan en el numeral 6.6. En la siguiente sección se indican los elementos que hacen parte del plan de monitoreo geotécnico y que deben ser presentados durante la etapa de diseño.

4.6.2 Contenidos del Plan de Seguridad Geotécnica para Construcción Los siguientes aspectos y documentos deben ser incluidos dentro del plan de seguridad geotécnica para construcción [86].

4-35

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

Esquema de diseño para construcción: en donde se presentan los rangos esperados del monitoreo geotécnico y las desviaciones aceptables



Niveles de alarma y acción: adicional a la información contenida dentro del esquema de diseño para construcción se debe presentar una clara definición de niveles de alarma y acción para implementación de medidas de mitigación



Programa de monitoreo: de acuerdo con los requerimientos del proyecto, se especifica el proceso de medición o recolección de observaciones. Se debe entender que los métodos y medios para el monitoreo incluyen tanto “monitoreo” (medición de parámetros físicos) como observaciones (recolección de información cuantitativa o cualitativa)



Definición de responsabilidades: durante el diseño se propone la estructura de responsabilidades a seguir durante construcción



Datos de contacto: incluye los datos de contacto tanto de las personas involucradas directamente dentro del plan de seguridad geotécnica como de entidades o entes que puedan ser afectadas por la construcción del túnel (e.g., edificios adyacentes, servicios públicos como gas, acueducto, fibra óptica)



Reuniones: durante la etapa de diseño se propone la ejecución de reuniones para discutir temas relacionados con el comportamiento del sistema. Antes de iniciar la etapa de construcción se detalla la periodicidad, temas a tratar y participantes (numeral 6.5).

4-36

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Tabla 4-7 Comportamiento del sistema y correspondiente variable para monitoreo (modificada de [87])

Asentamientos superficiales

Angulo de inclinación

Desplazam., deformaciones, utilización, estado del soporte

Nivel freático / Presión

Estructura del terreno

Desplazamientos el terreno

VARIABLES PARA EL MONITOREO

Consolidación

■

-

■

■

-

■

Falla del terreno por cortante

■

□

■

-

-

■

Falla de la solera

-

-

■

-

-

-

Daños o falla de los elementos de soporte

-

-

■

-

-

-

Orientación desfavorable de discontinuidades

-

-

□

-

■

-

Deformación excesivas

-

-

■

-

-

■

Falla por cortante a lo largo de una estructura geológica

-

-

■

-

■

■

Terrenos expansibles

-

-

■

■

-

■

CONDICIONES

Asentamientos superiores a los rangos establecidos, daños es edificaciones y redes

Desprendimiento de bloques controlada por discontinuidades

Cierre de la sección y/o falla de los elementos de soporte

■ Relevante

CAUSA

□ Limitada

- no aplica

4-37

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Tabla 4-8 Variable para monitoreo y método de monitoreo a implementar (modificada de [87])

Desplazam. absolutos (3D)

Extensómetros

Celdas de carga para anclajes

Clinómetro y Niveles E.

Inclinómetros

Piezómetros

Extensómetros y deformímetros

Mapeo manual

Mapeo digital

Inspección visual

MÉTODO

Asentamientos superficiales

■

■

-

□

■

-

-

-

-

-

Deformación en estructuras superficiales y redes

■

■

-

□

■

-

-

-

-

-

Desplazamiento en la capa de concreto (neumático/hidráulico)

■

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Deformaciones en la capa de concreto (neumático/hidráulico)

■

-

-

-

-

-

■

-

-

-

Carga en anclajes

-

-

■

-

-

-

-

-

-

-

Nivel del agua

-

-

-

-

-

■

-

-

-

-

Presión de poros

-

-

-

-

-

■

-

-

-

-

Estructura geológica del terreno

-

-

-

-

-

-

-

■

■

■

Desplazamientos en el terreno

■

■

-

-

■

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

■

■

Inspección cualitativa del concreto (neumático/hidráulico) ■ Relevante □ Limitada - no aplica

4-38

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4.6.3 Programa de Monitoreo El programa incluye los detalles del proceso de medición y/o observaciones incluyendo requisitos para la instalación de instrumentos de medición, cronograma para la toma de datos, ubicación y especificaciones de los instrumentos de medición, frecuencia y requisitos generales. El tipo de instrumentación debe garantizar aspectos como: 

Viabilidad para la instalación



Durabilidad



Protección contra daños durante construcción



Precisión 4.6.3.1 Esquemas típicos para monitoreo de túneles

A continuación se presentan ejemplos típicos [87], con su respectivo esquema para mediciones. Dependiendo de los factores y requerimientos específicos de proyecto, se hace necesaria la instrumentación e instalación de una o varias de las herramientas mostradas en los ejemplos. Ejemplo 1: túnel urbano con baja cobertura En el ejemplo los riesgos principales están ligados con los asentamientos superficiales, consolidación por abatimiento del nivel freático, inestabilidad del frente de excavación y falla de los materiales de soporte. Por lo consiguiente el programa de monitoreo se enfoca en: 

Deformaciones superficiales en edificios y en redes mediante monitoreo de desplazamientos absolutos, nivelación, clinómetro, extensómetros e inclinómetros, monitoreo de vibraciones.



Abatimiento del nivel freático mediante piezómetros



Estabilidad del frente de excavación mediante inspección visual



Integridad de los elementos de soporte mediante monitoreo de desplazamientos absolutos, monitoreo de desplazamientos en el frente de excavación, celdas de carga, extensómetros

4-39

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Figura 4-16 Esquema de monitoreo en superficie para túneles con baja cobertura (modificada de [87])

Ejemplo 2: túnel en roca (macizo rocoso con bloques) Para este caso el riesgo principal es el desprendimiento de bloques inducidos por las discontinuidades. Considerando que este tipo de fallas son difíciles de anticipar por medio del monitoreo de desplazamientos y que el modo de falla está controlado por las discontinuidades, el programa de monitoreo se deben enfocar en: 

Estructuras del macizo y ubicación/orientación de discontinuidades con respecto al eje del túnel mediante mapeo geológico con brújula o mapeo geológico digital

Ejemplo 3: túnel en macizo rocoso con planos de debilidad con alta/media cobertura Los riesgos principales en este sistema son el cierre excesivo de la sección, falla de los elementos de soporte por esfuerzo cortante perpendicular al plano de debilidad (foliación, estratificación, espejos de falla, fallas) y altas deformaciones anisotrópicas. En este caso el programa de monitoreo se enfocar en:

4-40

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

Orientación del plano de debilidad mediante mapeo geológico con brújula o mapeo geológico digital



Desplazamientos en el soporte primario desplazamientos absolutos y celdas de carga



Estructura del macizo mediante extensómetros

mediante

monitoreo

de

Figura 4-17 Macizo rocoso con bloques, potencial de sobre excavaciones

Figura 4-18 Macizo rocoso con planos de debilidad (foliación, estratificación)

4-41

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Ejemplo 4: túnel en materiales expansivos Los riesgos principales con la presencia de materiales expansivos es el cierre de la sección y fallas en la solera. En este caso el programa de monitoreo se deben enfocar en: 

Presencia de agua mediante inspección visual



Composición mineralógica mediante pruebas de laboratorio



Condición de los materiales de soporte mediante monitoreo de desplazamientos absolutos, celdas de carga, sensores de fibra óptica



Desplazamientos en el macizo mediante extensómetros y monitoreo de desplazamientos absolutos

Figura 4-19 Macizo rocoso con potencial expansivo

4.6.3.2 Distancias típicas entre secciones de monitoreo Se recomienda que la distancia entre secciones de monitoreo “Dsm” esté en el intervalo 5 m < Dsm 30 hasta 60

> 600

200 hasta 600

>600 hasta 3000

> 3000

Debe garantizarse la integridad de los elementos de acero (arcos/cerchas, pernos, refuerzo, etc.) del sistema de soporte, con una apropiada instalación y protección mediante concreto neumático para arcos/cerchas, y mediante lechadas o soluciones epóxicas para pernos. Sin embargo, la degradación del concreto neumático y el cemento es posible en presencia de sustancias agresivas haciendo vulnerable el acero a fenómenos de corrosión y degradación. La Tabla 4-12, presenta valores límites de diferentes sustancias que afectan tanto el concreto como el acero. Si se confirma la presencia de las sustancias presentadas en la Tabla 4-11 se deben extender los ensayos, y determinar la presencia de los siguientes elementos, así como el grado de afectación que esto generara en el concreto lanzado y en el acero:

Tabla 4-12 Valores límite para el agua subterránea - Afectación del concreto lanzado y el acero

VALORES LIMITE (mg/l) PARÁMETRO Sulfatos (SO4) Dióxido de Carbono (CO2) Cloruro (Cl) Oxigeno (O) Oxido de magnesio (MgO)

Concreto >200

Acero >300 >15

>100

>100 >4 -

Este fenómeno de meteorización del concreto depende en gran medida de los cambios en temperatura, humedad y presión (viento) del medio ambiente. Otro factor

4-75

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a considerar es la polución continua en el ambiente al interior de los túneles, este factor es controlado por el sistema de ventilación del túnel. Dentro del diseño se deben hacer referencia a la inspección durante operación y mantenimiento de lo siguiente: 

Perdida de pasta superficial y exposición de agregados, en la búsqueda de evidencias de lixiviación por disolución y transporte de los compuestos hidratados de la pasta de cemento.



Evidencias de meteorización:  Eflorescencias de carbonatación, retención de polvo  Proliferación de colonias de hongos y bacterias.  Reducción del pH del estrato acuoso de los poros superficiales.



Presencia de gases en valores > a 5 mg/l de CO2 emitido por la combustión de los vehículos en el túnel.



pH del agua en búsqueda de evidencias de “carbonatación” del cemento contenido en el concreto.

Para la configuración de revestimiento definitivo RCC, se debe verificar el comportamiento del material impermeabilizante frente a los gases mencionados anteriormente.

4.8.5 Recomendaciones Generales para el Diseño. Cualquiera de las configuraciones de revestimiento debe garantizar la estabilidad, asumiendo desplazamientos y esfuerzos adicionales que puedan presentarse en el largo plazo (vida útil del túnel), los cuales están directamente relacionados con la susceptibilidad a cambios en el tiempo del terreno y los materiales de construcción. Los esfuerzos y desplazamientos adicionales son asumidos por el conjunto de capas (capa de soporte primario + capa de revestimiento definitivo). Las limitaciones de los métodos analíticos [105] no permiten una adecuada simulación de componentes básicos para este análisis (e.g., determinación del estado de esfuerzos en la capa de soporte primario, simulación de la geometría real del revestimiento, distribución de

4-76

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esfuerzos, heterogeneidad del terreno), por lo que se requiere de un análisis numérico que tenga en cuenta los factores mencionados. La cuantificación de los desplazamientos adicionales se realiza siguiendo el procedimiento descrito en el siguiente numeral y la comprobación de su efectividad se debe realizar siguiendo los lineamientos de diseño expuesto en el numeral 4.5.2.5 (comportamiento vs. requerimientos).

4.8.5.1 Deterioro del terreno El cálculo estructural de la capa de revestimiento definitivo debe tener como datos de entrada: a) los desplazamientos adicionales, en el caso de la fluencia del material, y b) Los esfuerzos adicionales en el tiempo ocasionados por materiales expansivos (numeral 4.8.4.1). Se acepta de igual manera la integración de modelos constitutivos que integren el tiempo dentro de sus variables (viscoelásticos – viscoplásticos). Para las rocas (macizo rocoso) con altas fluencias, se acepta la estimación de un valor de GSI a largo plazo, con base en el deterioro de la roca causado por la fluencia y el aumento progresivo del área deteriorada causada por este fenómeno [106].

4.8.5.2 Deterioro de los materiales de construcción El deterioro se refleja en la disminución de la resistencia y la elasticidad de estos materiales. Para el diseño de la capa de revestimiento definitivo se procede a disminuir el módulo de elasticidad de los materiales de soporte implementados como soporte primario según la Tabla 4-13 [107]. La disminución del módulo de elasticidad presentada en la Tabla 4-13, representa un aumento en términos de desplazamientos que será asumido por la capa adicional de revestimiento definitivo.

4-77

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4.8.6 Requerimientos Generales para las Diferentes Configuraciones de Revestimiento A continuación se presentan las recomendaciones para el diseño del revestimiento y elementos complementarios para cada uno de las configuraciones de revestimiento presentadas en el numeral 4.8.2. Las configuraciones presentadas requieren de una capa adicional de concreto, neumático o hidráulico, la cual se denomina capa de revestimiento definitivo. Esta capa debe ser implementada una vez se tenga la estabilización total de la sección (numeral 6.3) y no puede ser remplazada o sustituida por el concreto instalado como soporte primario. Cada sector del túnel debe ser analizado en cuanto a sus requerimientos de revestimiento definitivo. La aplicación de múltiples espesores a lo largo del túnel es factible, en especial para las configuraciones de revestimiento de capa sencilla (RCS y revestimiento de capa compuesta (RCC).

Tabla 4-13 Disminución de la resistencia de los materiales de soporte por presencia de sustancias agresivas

SUSTANCIA

Bajo

Medio

Alto

Severo

Valor de PH

6.5 -5.5

5.5 -4.5

4.5 - 4.0

12.5

Dióxido de carbono CO2 (mg/l)

15 -30

30 - 60

60 -100

> 100

Nitratos NO3 y Amonio NH4 (mg/l)

15 - 30

31 - 60

60 -100

> 100

Oxido de magnesio MgO (mgl/l)

100 -300

300 -1500

1500 - 3000

> 3000

Cloruro (Cl) (mgl/l)

100 -300

300 -1500

1500 - 3000

> 3000

Sulfatos SO4 (mg/l)

200 - 600

600 - 3000

3000 - 6000

> 6000

% de reducción de la resistencia

10%

20%

35%

50%

4.8.6.1 Revestimiento de Capa Sencilla (RCS) Se limita el uso de esta configuración para túneles con bajo tráfico y corta longitud (