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PAVIMENTOS EN TNELES: FACTORES A CONSIDERAR PARA SU TIPO Y
DISEO
Manuel G. Romana Prof. Titular de Universidad
Departamento de Ingeniera Civil: Transportes Universidad
Politcnica de Madrid
NDICE
1. INTRODUCCIN 1
2. TIPOS DE PAVIMENTO 2
3. CLASIFICACIN DE TNELES 3
3.1. Clasificacin de la UE 3
4. FACTORES DE ELECCIN DEL TIPO DE PAVIMENTO 5
4.1. Caractersticas de los tneles 5
4.2. Caractersticas del pavimento 8
5. LA CONSTITUCIN DE LA SUBRASANTE 11
5.1. Introduccin 11
5.2. Tneles en roca buena 13
5.3. Tneles en suelos sin empujes ni hinchamiento 14
5.4. Tneles con contrabveda (en rocas o suelos) 15
5.5. Tneles ejecutados con tuneladora 15
5.6. Tneles con una galera inferior 17
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2 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
6. EL AGUA EN EL TNEL 19
7. LAS OPERACIONES DE CONSERVACIN Y REHABILITACIN 20
8. PECULIARIDADES DEL DIMENSIONAMIENTO 21
9. ALGUNOS CASOS CLAROS 22
10. BIBLIOGRAFA 23
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PAVIMENTOS EN TNELES: FACTORES A CONSIDERAR
PARA SU TIPO Y DISEO Manuel G. Romana
Prof. Titular de Universidad Departamento de Ingeniera Civil -
Transportes
Universidad Politcnica de Madrid
1. INTRODUCCIN
Esta introduccin comienza con una nota terminolgica: para este
documento, se emplear pavimento en el sentido que se le da a la
palabra en Latinoamrica, esto es, al conjunto de capas superpuestas
de materiales manufacturados de elevada calidad y algunos
centmetros de espesor cuya finalidad es conseguir dos
finalidades:
que la circulacin de los vehculos sea cmoda y segura en
cualquier climatologa a la velocidad de proyecto
que la estructura soporte las cargas de los vehculos pesados
durante un perodo de diseo razonable (varios aos)
En Espaa se denomina pavimento nicamente a la ltima capa, por la
que se circula.
Los pavimentos en tneles tienen una caractersticas
fundamentalmente diferente de la del resto de la traza: su coste
relativo es muy importante fuera del tnel (del orden de un 25 % de
la carretera, en condiciones normales) y muy bajo en el tnel (menos
de un 5 %). Tambin difieren del pavimento que se dispone sobre las
estructuras en que, en stas, no se suelen disponer capas
inferiores, sino nicamente una rodadura, para disminuir el peso
propio y aprovechar la rigidez de los materiales que constituyen la
estructura.
En los tneles es habitual disponer la estructura completa del
pavimento, ya que el peso no es una preocupacin y, hasta en los
casos en los que el material es de buena calidad como cimiento del
pavimento, resulta ms caro terminar la excavacin con la regularidad
precisa para colocar materiales tan costosos como las mezclas
bituminosas o el hormign de pavimentos, ya sean en masa o
armados.
1
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2 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
2. TIPOS DE PAVIMENTO
Dependiendo de la naturaleza de las capas del pavimento, y
considerando las tcnicas normalmente empleadas hoy en da en todo el
mundo, puede hablarse de pavimentos:
flexibles: son los formados por capas de materiales de rigidez
creciente desde el cimiento, cuyas capas inferiores suelen ser
granulares, con espesores del orden de 0,25 m, y con un conjunto de
capas de mezclas bituminosas o riegos con gravilla que no superan
los 15 cm de espesor.
semiflexibles: son pavimentos de estructura similar a la de los
flexibles, pero en los que, por la intensidad de trfico que
soportan, los espesores de mezclas bituminosas superan los 15 cm,
llegando a los 30 cm.
semirrgidos: son pavimentos con capas superiores bituminosas,
que se apoyan sobre capas inferiores de las que al menos una est
constituida por materiales tratados con ligantes hidrulicos
(normalmente cemento). Estas capas proporcionan un soporte rgido y
absorben muchos esfuerzos, pero su principal inconveniente es que
se fisuran por retraccin. Por ello es preciso aceptar este hecho,
sellando las fisuras en superficie o, preferiblemente, prefisurar
las bases tratadas y cubrirlas con capas antiremonte de fisuras o
un espesor suficiente de mezclas bituminosas.
inversos: son los que tienen una constitucin similar a los
semirrgidos hasta las capas tratadas con ligantes hidrulicos, pero
sobre stas y bajo las capas bituminosas se dispone una capa
granular que impide la transmisin de esfuerzos tangenciales a las
capas bituminosas.
rgidos: son aquellos en los que se dispone una losa de hormign
que constituye al mismo tiempo la capa de rodadura y la resistente.
Esta losa reparte los esfuerzos en un rea muy grande, pero su
espesor es importante (entre 22 y 35 cm, sea cual sea la intensidad
de trfico pesado). La losa de hormign puede ser en masa (en este
caso la losa tiene una longitud de unos 4 5 m) o ligeramente
armado, para que el acero impida la fisuracin del hormign.
mixtos: son pavimentos en los que se dispone una capa de
rodadura de 5 cm sobre una losa de gran canto de hormign en masa.
Se emplean sobre todo en entornos urbanos, por la sencillez que
caracteriza a las reparaciones locales y a la restitucin del
pavimento sobre zanja, pozos y otras obras.
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 3
3. CLASIFICACIN DE TNELES
3.1. Clasificacin de la UE
Muchos pases y organismos han elaborado clasificaciones de
tneles para gestionar mejor su red de carreteras. Una publicacin de
la AIPCR internacional resume bastantes de estas clasificaciones
(vase la bibliografa).
En su Propuesta de DIRECTIVA DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL
CONSEJO sobre requisitos mnimos de seguridad para tneles de la red
t anseuropea de carreteras, de 2002, que ha sido elevada a
directiva en abril de 2004, la Comisin (el rgano de gobierno
ejecutivo) de la Unin Europea propuso una clasificacin de tneles
basada en tres aspectos:
r
x Trfico unidireccional o bidireccional
x Intensidad de trfico (medida a travs de la Intensidad Media
Diaria o IMD por carril)
x Longitud en km
Es oportuno hacer varias observaciones:
La longitud mnima de un tnel son 500 m, segn esta clasificacin.
Este valor es razonable para redes de carreteras, generalmente en
campo abierto, en las que es raro que existan estructuras de
soterramiento de entre 60 y 500 m. En entornos urbanos sera
conveniente tratar como un tnel a cualquier tramo de va tipo
carretera soterrada de ms de 200 m.
La clasificacin tiene como nico objetivo establecer categoras de
dotacin en equipamiento de seguridad.
Los umbrales de intensidad han sido establecidos pensando en una
red madura (aunque muy variable si se comparan la Unin Europea
anterior a 2003 y la Europa del Este), en una regin con una gran
densidad de poblacin y un nivel de desarrollo muy alto y con
intensidades de circulacin muy elevadas.
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4 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
Tabla 1. Clasificacin de tneles de ala UE (Directiva de
seguridad en tneles, 2004)
Intensidad de trfico Longitud del tnel Tipo de tnel Tipo de
trfico
VT = veh./d/carril L en km Clase de
tnel
9000 < VT L > 0,5 I
L > 3 I
1 < L < 3 II 4500 < VT < 9000
0.5 < L < 1 III
L > 6 I
3 < L < 6 II
1 < L < 3 III 2000 < VT < 4500
0.5 < L < 1 IV
L > 10 I
3 < L < 10 II
1 < L < 3 III 500 < VT < 2000
0.5 < L < 1 IV
L > 20 I
10 < L < 20 II
3 < L < 10 III
1 < L < 3 IV
Un tubo bidireccional
VT < 500
0.5 < L < 1 V
12500 < VT L > 0,5 I
L > 1 I 9000 < VT < 12500
0.5 < L < 1 II
L > 3 I
1 < L < 3 II 4500 < VT < 9000
0.5 < L < 1 III
L > 6 I
1 < L < 6 II 2000 < VT < 4500
0.5 < L < 1 III
L > 6 I
3 < L < 6 II
1 < L < 3 III
Ms de un tubo
unidireccional
VT < 2000
0.5 < L < 1 IV
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 5
La causa directa de esta clasificacin es ordenar las inversiones
necesarias en seguridad de la infraestructura, y su definicin
actual es producto de un estudio de longitudes de tneles de
carretera en varios pases desarrollados, y de las conclusiones de
diversos grupos de expertos tras los ltimos incendios en tneles en
los Alpes (Mont Blanc en 1999, Tauern en 2000 y San Gotardo en
2003).
Los incendios han supuesto una autntica revolucin en los
criterios de seguridad que se aplican en tneles, comenzando por una
revisin completa de la infraestructura y su funcionamiento y
resultando en unos cambios en la filosofa de diseo y,
especialmente, en las necesidades de infraestructura de deteccin de
incendios y de informacin y evacuacin de usuarios en caso de
incidente. Es de desear que este esfuerzo tenga continuidad en la
informacin y educacin de los usuarios, para que esta ingeniera de
diseo sea verdaderamente eficaz.
Los pavimentos no han sido omitidos en esta revisin de
necesidades y funcionamiento en caso de incendio, siendo revisados
su carga de fuego (aunque no es una caracterstica de diseo
fundamental, como se ver luego, es evidente que los materiales
bituminosos son inflamables) y su respuesta en caso de
emergencia.
En consecuencia, la clase a la que pertenezca el tnel es un
factor que debe ser considerado a la hora de establecer el tipo de
pavimento que se construir en l.
4. FACTORES DE ELECCIN DEL TIPO DE PAVIMENTO
4.1. Caractersticas de los tneles
Otros factores que deben ser considerados a la hora de elegir el
tipo de pavimento de un tnel son el terreno en el que se excava, el
entorno (montaoso, rural, periurbano o urbano), la longitud del
tnel, la existencia o no de desvos alternativos, la posibilidad de
corte de la circulacin, la escasez de espacio disponible en la
seccin (alternativamente, el coste de construir espacio adicional),
el firme del resto del eje y la comprensin de la seccin por parte
del conductor. A continuacin se pasa revista a estos factores, pero
deben recordarse dos cosas:
que no son factores independientes, de manera que todos ellos
influyen en otros. Por ejemplo, puede ser posible colocar
cantidades menores a precio
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6 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
competitivo en entornos urbanos, en los que el suministro ya
existe, que en entornos de montaa alejados de los centros de
produccin.
que todos ellos son relativos, siendo posible encontrar ejemplos
y contraejemplos para lo que se quiera. En todo caso, la existencia
de un ejemplo de cualquier cosa nunca debe producir la inferencia
de una regla. El refranero cuenta con ejemplos contradictorios que
no caben en un mismo cuerpo de doctrina pero que pueden ser ciertos
en determinadas condiciones. En las decisiones que se tomen en
pavimentos de tneles hay que caminar por el mismo filo de la navaja
que en el resto de la ingeniera: distinguir entre las reglas y sus
excepciones.
En cuanto a su longitud, es importante distinguir tneles que
permiten razonablemente la adopcin de un tipo de pavimento
diferente de aqul del resto del eje (y no slo una seccin distinta
de un pavimento del mismo tipo). Un criterio habitual de longitudes
es colocar distintas secciones de pavimentos del mismo tipo a
partir de tramos de ms de 200 m, mientras que para un tipo de
pavimento diferente la medicin de las unidades de obra ms pequeas
deben compensar su suministro, so pena de resultar excesivamente
costosas. Una longitud mnima habitual es de 3 km. Cabe sealar que
esta longitud es la total de los tneles existentes dentro de una
misma obra, por lo que puede alcanzarse sumando las longitudes de
los tneles existentes en el tramo. En operaciones de construcciones
de ejes completos bien organizadas puede ser posible coordinar
varias obras para lograr un fin como el de construir tramos cortos
en cada obra, pero esto no siempre ocurre en la prctica,
normalmente por problemas logsticos y de organizacin econmica de
las obras.
La eventual existencia de desvos alternativos que no supongan un
excesivo aumento de la longitud del viaje (en tiempo) influye en la
eleccin de tipos de pavimentos, como los rgidos, en los que resulta
complejo (aunque siempre posible) realizar reparaciones manteniendo
la circulacin por carriles adyacentes. En tneles de vas con
calzadas separadas (tubos dobles o triples) o en entornos urbanos
los desvos suelen ser sencillos, y en tneles urbanos es posible
cortar la circulacin en perodos de demanda relativamente baja
(normalmente en verano) o incluso todas las noches durante varias
horas. En tneles de montaa en carreteras convencionales de dos
carriles es difcil realizar cortes que no sean excepcionales, y
difcilmente durante ms de 12 horas.
En el tnel se produce simultneamente una relativa escasez de
sitio y otra de glibo, cerca de los laterales. Las secciones de
tnel de dos carriles excavado en mina suelen tener unos 80 m2
libres, pero las estructuras soterradas tienen espacios menores (60
a 70 m2), y los glibos libres (medidos bien en borde de carril o,
deseablemente, en borde de arcn)oscilan entre algo ms de 4 m en
tneles urbanos
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 7
restringidos a los camiones grandes y los 5 o 5,5 m de los
tneles ms espaciosos. Por otro lado, hay que considerar que tanto
el espacio como el glibo inicialmente disponibles para la
construccin del pavimento (las instalaciones, como ventiladores,
conductos de ventilacin, luminarias, etctera, se pueden y se suelen
construir despus) pueden ser considerablemente mayores que en las
tareas de conservacin y rehabilitacin, con todas las instalaciones
en su sitio.
La Directiva de la UE habla de carriles de acceso de emergencias
que pueden hacer aumentar mucho el espacio disponible para
construir el pavimento, ya que pueden dotarse de glibos inferiores
y pavimentos diferentes del resto de la seccin. Sin embargo, en
muchos casos conviene tener un pavimento que permita el uso del
carril para desvos provisionales.
El tipo de pavimento adoptado para el resto del eje influye el
la eleccin del pavimento de los tneles ubicados en l. En un eje de
montaa con numerosos tneles y estructuras, lo que debe pesar son
los tneles. En casos en los que un tnel tiene un peso relativamente
bajo, el pavimento del tnel debe ser del mismo tipo que en el
resto, para facilitar no ya la construccin, sino la conservacin y
eventuales rehabilitaciones.
El entorno en el que se encuentra el tnel puede ser montaoso,
rural, periurbano urbano. El entorno influye en los trazados
adoptados y en los itinerarios alternativos y posibilidades de
corte. Aparte de lo ya dicho, en entornos montaosos es posible que
la pendiente del tnel sea elevada, y con ello se penalizan los
pavimentos rgidos, en los que los empujes longitudinales pueden
ocasionar el pandeo de las losas. Los radios en tneles nuevos
suelen ser relativamente generosos, pero tambin podra aplicrseles
un razonamiento similar si fueran muy reducidos (las encofradoras
deslizantes tienen un radio mnimo).
Finalmente, el terreno puede influir en caso de materiales
expansivos o bloques de falla activos, que pueden ocasionar
desplazamientos del tnel que suelen obligar a reconstruir el
pavimento en los puntos en los que los desplazamientos son
importantes. Adems, si los emboquilles no estn adecuadamente
reforzados, pueden producirse movimientos de similar importancia y
naturaleza a algunas decenas de metros de las bocas. El otro factor
del terreno cruzado que puede influir en el pavimento es el agua
del macizo, a la que se dedica un apartado especfico.
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8 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
4.2. Caractersticas del pavimento
Las caractersticas que ha que considerar de un pavimento para
tneles son las siguientes (siempre se considera, evidentemente, que
tanto el dimensionamiento como la construccin son correctos) :
Vida til
Propiedades exigidas para su cimiento
Necesidades de espacio y maquinaria para su conservacin
Programa de conservacin: operaciones y plazos previstos
Necesidades y plazos de rehabilitacin (en primer lugar en nmero
de ejes y en segundo en plazo estimado)
Color y contraste en la seccin transversal
Carga de fuego y riesgo de incendio
Incidencia de las juntas en la circulacin
Los pavimentos flexibles tienen una vida til de ms de diez aos,
son sencillos de reparar, y existe maquinaria disponible de glibo
normal o reducido para las tareas de conservacin y rehabilitacin.
Por el contrario, las necesidades de rehabilitacin son mayores que
en los pavimentos rgidos. Las dems caractersticas de estos firmes
se comentan a continuacin, al tratar los pavimentos
semiflexibles.
Sin embargo, no es frecuente que se construyan tneles para
intensidades de trfico pesado tan bajas que permitan la construccin
de pavimentos flexibles. Existen, por supuesto, excepciones como
Noruega, donde se ha aprovechado que disponen de roca de muy buena
calidad para desarrollar una tecnologa propia para la construccin
de tneles para intensidades de trfico muy bajas. La inversin en
estos casos se justifica por las dificultades de circulacin por el
exterior en invierno.
Los pavimentos ms frecuentes en tneles en el mundo son los
semiflexibles, con ms de 15 cm de mezcla bituminosa sobre una o
varias capas granulares. Presentan una vida til prolongada, gracias
al espesor de las mezclas. Sin embargo, deben apoyarse sobre un
cimiento estable y compacto, siendo desaconsejable que el cimiento
tenga un ndice CBR inferior a 10, y debe intentarse que se supere
el valor
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 9
de 20. Las condiciones de saturacin son perjudiciales para estos
cimientos, como lo son para la resistencia de las bases granulares
que se emplean en estos pavimentos.
Requieren de maquinaria convencional y pueden construirse o
repararse en espacios y glibos relativamente reducidos. Las
operaciones de conservacin puede realizarse con cortes de un solo
carril, pero son mas frecuentes que las necesarias en los
pavimentos rgidos. Si se busca, pueden tener un color negro que
contraste adecuadamente con las marcas viales y con las paredes
claras, ya sean decoradas o de hormign. Se consigue as una muy
buena comprensin de la seccin por parte de los conductores. Este
color negro debe ser buscado, ya que en muchos casos el color del
pavimento resulta gris, y de escaso contraste con el hormign de la
pared. Cuando la superficie de rodadura es muy negra disminuye la
luminancia del pavimento y, consecuentemente, aumenta la energa
necesaria para iluminarlo.
Los pavimentos bituminosos son combustibles, y la carga de fuego
de los semiflexibles puede ser importante. A favor de su empleo,
pese a esta circunstancia, est que los incendios no suelen tocar el
pavimento, sino que se producen en la caja de camiones. Las
fotografas del incendio de San Gotardo muestran como la destruccin
fue casi completa por encima el chasis de los camiones, y escasa
por debajo. En contra de su empleo est el hecho de que se han
detectado restos de la combustin de materias bituminosas (si bien
en cantidades relativamente pequeas) en el humo de algunos
incendios. Finalmente, estos pavimentos no presentan juntas
apreciables, salvo la longitudinal de construccin, que puede
terminarse con una calidad elevada.
Los pavimentos semirrgidos cuentan con capas inferiores de gran
rigidez, que reparten mucho las cargas y, consecuentemente, pueden
apoyarse sobre materiales ms endebles. En cambio, su resistencia
depende de su espesor, de manera que reducciones de espesor del 10
% pueden resultar en prdidas del 90% de la vida til. Por tanto, las
capas inferiores deben tener una gran regularidad y no se puede
jugar con los espesores. Los materiales tratados con conglomerantes
hidrulicos tienen un rido de buena calidad, se fabrican en central
y se disean de manera que cuenten con un esqueleto mineral
resistente. Los contenidos de conglomerante son pequeos.
Estos pavimentos suelen contar con una rodadura bituminosa, una
base de gravacemento y una subbase de suelocemento, apoyados sobre
explanadas granulares o estabilizadas in situ con cemento. Su vida
til es muy prolongada, especialmente si se consigue una buena
adherencia entre la capa bituminosa y a base, y el cimiento puede
ser relativamente dbil. Se construyen con mquinas de tamao medio, y
la conservacin consiste en el sellado de las grietas transmitidas
por la retraccin de las capas de base y sbase. Si el
dimensionamiento es adecuado, no
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10 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
tiene porqu producirse movimientos importantes entre losas, y el
sellado de las grietas es sencillo.
En cuanto a color y contraste, los pavimentos semirrgidos tienen
las mismas caractersticas que los semiflexibles, con los que
comparten las capas de rodadura. Su carga de fuego es ms reducida,
al serlo el espesor de la capa bituminosa. Las juntas que
constituyen las grietas, aun cuando se prefisuren las capas
inferiores, existen y deben ser consideradas, aunque su incidencia
puede reducirse empleando capas antiremonte de fisuras. Por ltimo,
las capas tratadas con conglomerantes hidrulicos no requieren tanta
calidad como los pavimentos de hormign, y permiten que el usuario
no perciba cambios si el resto del eje cuenta con un firme flexible
o semiflexible.
Los pavimentos inversos renen las ventajas de resistencia de los
semirrgidos con las de los semiflexibles, dndose adems la
circunstancia de que, como se ver, son muy adecuados en tneles, por
las condiciones constructivas de la solera del tnel. Las
principales desventajas son la mayor necesidad de conservacin y la
carga de fuego. La disposicin de la capa granular reduce las
necesidades de acabado de las capas tratadas con conglomerantes
hidrulicos, pero no las del acabado del cimiento y de espesores
mnimos.
Los pavimentos rgidos presentan ventajas claras en cuanto a su
larga durabilidad, su reducida necesidad de conservacin y su
carcter de no combustible, contando con una carga de fuego muy
reducida. Adems, su color claro refleja la luz y reduce las
necesidades de iluminacin. Las desventajas que comportan son
varias. En primer lugar est la mayor necesidad de espacio y glibo
lateral para construccin y reparaciones. Otras que pueden
mencionarse son la existencia de juntas en muchos casos, las
dificultades de colocacin de las marcas viales y la ms reducida
percepcin de estas por parte de los conductores. Tambin tienen un
contraste menor con las paredes del tnel, salvo que se coloquen
revestimientos de colores claros.
Sin ser especficamente una desventaja, hay que considerar que la
construccin de estos pavimentos conlleva una elevada exigencia de
calidad, y que se construyen con maquinaria especializada que
requiere una determinada longitud para resultar competitiva.
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 11
5. LA CONSTITUCIN DE LA SUBRASANTE
5.1. Introduccin
Los factores ms importantes en el diseo de un pavimento son, por
orden:
x La intensidad de vehculos pesados en el carril de diseo
x La calidad de la subrasante
x Los factores ambientales, como la temperatura o el agua
Tradicionalmente, al estudiar el cimiento del pavimento se ha
centrado la atencin en las ltimas capas de la obra de tierra
(tpicamente los 0,50 a 1 m superiores). Actualmente, la tendencia
es analizar no slo el comportamiento resistente de la coronacin,
sino tambin el del terreno subyacente. Se trata as de caracterizar
los materiales existentes en todo el conjunto que puede influir en
el comportamiento del firme. Aunque el espesor considerado es
variable segn el procedimiento aplicado (puede llegar a los 2 m),
es aconsejable considerar siempre un espesor de al menos 1 m.
En definitiva, parece ms correcto reservar la palabra explanada
para aludir exclusivamente a las caractersticas geomtricas finales
de la subrasante y cimiento del pavimento para referirse a las
caractersticas resistentes de los materiales que conforman los
ltimos metros de estas obras. Estos conceptos se ilustran en la
figura siguiente.
Figura 1. Seccin de pavimento, explanada y cimiento del
firme
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12 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
En consecuencia, se conoce como capacidad de soporte del
cimiento del firme a su resistencia a la deformacin bajo las cargas
del trfico. Los factores principales que intervienen en esta
capacidad de soporte son:
La resistencia al esfuerzo cortante de los materiales que lo
constituyen, que depende a su vez de la densidad alcanzada y de su
humedad de puesta en obra.
La humedad existente en cada momento. Los suelos saturados
tienen una capacidad de soporte inferior a los suelos no saturados,
por lo que en general a mayor humedad el suelo presenta una menor
capacidad de soporte.
Por tanto, la capacidad de soporte de un determinado terreno en
el que se excava un tnel, an cuando el cimiento del firme est
compuesto por los mismos materiales, podr ser variable en el
espacio y en el tiempo, debido a la inevitable variabilidad de los
suelos y de su contenido de humedad. Para llegar a un diseo
coherente es preciso adoptar para cada material en el proyecto un
valor suficientemente reducido, de forma que en la vida de la
carretera este valor represente un lmite inferior de las
capacidades de soporte existentes en cada punto en la poca ms
desfavorable.
La capacidad de soporte del cimiento, as considerada, se refiere
a las mximas cargas que se puede garantizar que sern resistidas por
dicho cimiento. En consecuencia, el firme debe disearse de forma
que las cargas de trfico transmitidas al cimiento no superen este
valor (el cimiento cedera), ni sean sensiblemente inferiores (el
diseo no sera econmico). En este proceso debe tenerse en cuenta que
tanto la solicitacin como la respuesta de los materiales es de
carcter dinmico y, en general, no lineal. Adems debe considerarse
el efecto de la aplicacin repetida de las cargas (fatiga).
En carreteras y en aeropuertos suelen emplearse ensayos
relativamente sencillos, como el del CBR (en laboratorio) y los
ensayos de carga con placa (in si u). Son ensayos comparativamente
lentos, que no tratan de simular la aplicacin real de cargas. Las
deformaciones impuestas al suelo en estos ensayos son generalmente
muy superiores a las que pueden producir las cargas del trfico, las
magnitudes de las cargas aplicadas no son iguales a las de trfico y
su velocidad de aplicacin es mucho ms lenta (aunque no sean ensayos
estticos propiamente dichos). Su utilidad reside en las
correlaciones empricas con el comportamiento del cimiento en muchas
obras y por ello su empleo es prcticamente universal.
t
A finales del siglo XX aparecieron tres herramientas nuevas para
la evaluacin y el diseo de los cimientos de los pavimentos: los
programas de elementos finitos tridimensionales con modelos de
materiales no lineales, los ensayos triaxiales cclicos de
materiales granulares compactados y los deflectmetros de impacto.
Los primeros
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 13
permiten predecir las trayectorias de tensiones que sufren los
elementos del cimiento, los segundos evaluar la respuesta de los
materiales bajo cargas repetidas y los terceros medir la respuesta
de un cimiento real ante una solicitacin dinmica. La combinacin de
estos elementos puede modificar el diseo y la evaluacin de los
cimientos de los firmes en el futuro prximo.
En los tneles en roca, aun cuando esta sea muy blanda, no tiene
demasiado sentido el empleo del ndice CBR, ya que el mdulo de
deformacin del cimiento ser muy superior al mnimo requerido para el
pavimento. Debe recordarse, adems, que el ndice CBR es muy
representativo del material cuando su resultado est entre 3 y 40, y
escasamente significativo para valores superiores. Si el tnel est
excavado en roca conviene estimar el mdulo mediante correlaciones y
ensayos en testigos de sondeo, o, ms raramente, mediante mediciones
in situ con placas de carga.
A continuacin se repasan los diferentes casos de terrenos y las
opciones de diseo que pueden tomarse.
5.2. Tneles en roca buena
En tneles en roca buena (ndice Rock Mass Rating de Bieniawski,
RMR > 40) el material tiene una rigidez sobrada para ser el
cimiento del pavimento (un ejemplo de seccin transversal tpica de
un tnel en estos materiales se presenta en la figura 2). En estos
casos las mayores dificultades residen en lograr un acabado
suficientemente regular del cimiento y contar con un material que
no tenga piedras sueltas. Si se logra al menos lo segundo, puede
construirse la subrasante de cuatro maneras diferentes:
1. Esta superficie puede ser muy adecuada para recibir una capa
granular que sirva de regularizacin y de subbase del pavimento, que
podr ser en este caso de cualquiera de estos tipos: flexibles,
semiflexibles o semirrgidos. En el caso de pavimento rgido es
aconsejable que la base est tratada, especialmente cuando es difcil
la compactacin adecuada de materiales granulares (por ejemplo, si
los finos pasantes por el tamiz #200 de la ASTM, o 0,080 mm, no
superan el 10% en peso) o cuando haya agua en este nivel. Por ello
debe desaconsejarse en principio esta opcin en este caso: si el
pavimento es de hormign, es preferible optar por alguna de las
otras tres soluciones.
2. La segunda opcin es rellenar las irregularidades con hormign
pobre (de unos 5 MPa de resistencia a compresin simple). Esta tarea
lleva un componente importante de mano de obra, frente a la opcin
anterior que es ms fcilmente mecanizable.
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14 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
Figura 2. Seccin de tnel en roca
3. En tercer lugar, es posible rellenar todo el fondo de
excavacin con suelocemento, hasta lograr un espesor de mnimo del
orden de 25 cm sobre suelos con menos del 35% de finos y CBR
superior a 5 o 50 cm sobre suelos de peor calidad.
4. Finalmente, puede optarse por disponer una solera de hormign
que cierre la seccin del tnel. De esta manera la solera constituye
una explanada de calidad excelente para el pavimento.
5.3. Tneles en suelos sin empujes ni hinchamiento
En caso de excavar un tnel en suelos hay que construir la
subrasante de la misma manera que en un fondo de desmonte en un
suelo de las mismas caractersticas,
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 15
empleando la normativa para lograr una resistencia adecuada al
espesor y naturaleza de las capas de pavimento.
5.4. Tneles con contrabveda (en rocas o suelos)
Cuando se trata de tneles excavados en materiales que producen
empujes excesivos tras las construccin, como es el caso de los
suelos expansivos, las rocas deformables y con grandes empujes
(squeezing rock en ingls), las anhidritas y otros materiales de
comportamiento similar, lo ms adecuado es establecer una seccin de
tnel con curvatura en todas sus partes, disponiendo una contrabveda
(figura 3). Es posible as resistir las presiones transmitidas por
el terreno con una estructura de hormign en masa o, como mucho,
ligeramente armado con una forma que se acerca al antifunicular de
las cargas.
En tneles de carretera o ferrocarril, la anchura de la seccin
utilizada impone el relleno de la parte inferior, hasta que la
secante tenga la longitud deseada. Como se aprecia en la figura, el
espacio entre el arco y la secante es importante. Como quiera que
estas secciones se dan en terrenos de mala calidad, la solucin ms
adecuada para este relleno no es ejecutarlo con el material
excavado, salvo en casos excepcionales. Contando con que en este
espacio deben disponerse los sistemas de drenaje que sean oportunos
y algunos conductos auxiliares para instalaciones u otras
infraestructuras, ya sean secundarias o de comunicaciones, una
buena solucin es rellenar con hormign pobre, lo que proporciona una
base estable, de alta rigidez y una regularidad muy sencilla de
conseguir. Adems, este hormign proporciona un margen adicional de
seguridad, ya que colabora algo a la resistencia a eventuales
cargas del terreno.
En consecuencia, lo ms adecuado en estos casos es contar con una
subrasante de excelente calidad, sobre la que puede disponerse
cualquier clase de pavimento.
5.5. Tneles ejecutados con tuneladora
Las tuneladoras, conocidas con los nombres de topos, escudos o,
ms comnmente, como mquinas tuneladoras integrales (TBM en ingls,
tunnel boring machine), permiten la ejecucin del tnel en un proceso
continuo a seccin completa y con un proceso limpio y seguro, con
rendimientos muy elevados (con una media superior a
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16 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
los 500 m al mes). Sin embargo, su empleo est lastrado con las
siguientes circunstancias:
un coste muy elevado,
un plazo de fabricacin (en caso de ser una tuneladora nueva) o
rehabilitacin (si se trata de una mquina que ya ha ejecutado otro
tnel) importante (entre 7 y 15 meses),
un espacio dedicado a instalaciones de ms de 100 m de longitud y
alrededor de dos decenas de metros de anchura
un tiempo de montaje de entre dos y tres meses.
Figura 3. Seccin de tnel con contrabveda
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 17
A la vista de estas circunstancias, es evidente que el empleo de
tuneladoras compensa nicamente en tneles muy largos (ms de 2 km de
longitud, salvo excepciones).
La forma de la seccin es circular (figura 4). Dada la situacin
de la cuerda de anchura necesaria para la calzada, el espacio entre
el pavimento y la contrabveda o parte inferior del tnel es an mayor
que el existente en tneles con contrabveda. Proceder simplemente al
relleno de este volumen puede ser desaprovechar un espacio que
resulta caro de construir. En la figura 4 se representa una seccin
de tnel de tres carriles para una autopista. Es un diseo similar al
elegido para los nuevos tramos subterrneos que se ejecutarn con
tuneladora en la ampliacin de la M-30 en Madrid.
En la parte inferior de la seccin se dispone un carril de
emergencia, que permite el acceso al tnel a personal de atencin en
emergencia y asistencia. La estructura que est entre este espacio y
la calzada principal es prefabricada, con una capa de compresin.
Lograr el mximo glibo en la mxima anchura posible exige limitar el
canto de esta estructura. Esto va en contra de cargar la estructura
con una seccin de pavimento semiflexible. Un pavimento de hormign
tiene un espesor total menor, y se compone de capas resistentes.
Por ello el pavimento rgido es la solucin ms adecuada.
Si se procede al relleno de la seccin, la solucin de pavimento
puede ser cualquiera.
5.6. Tneles con una galera inferior
Las nuevas exigencias de equipamiento de seguridad hacen que
pueda ser necesaria una galera de acceso y evacuacin
estructuralmente independiente. Con el objeto de evitar elevado
coste de una excavacin nueva independiente, es normal disponer esta
galera en una gran trinchera en la parte inferior de la seccin,
normalmente cuando el material tiene una cohesin o resistencia a
compresin simple elevada, y esta trinchera es estable a corto
plazo.
En estos casos la trinchera puede constituir una subrasante de
rigidez muy diferente a la del resto de la seccin transversal. Para
evitarlo se suele rellenar la clave de esta trinchera con hormign
en masa de unos 15 MPa de resistencia caracterstica. Esta solucin
resulta ideal para el pavimento, pero constituye una sobrecarga
importante para la galera inferior, cuya estructura debe estar
calculada para soportarla. Otra solucin posible es minimizar el
espesor de hormign, y colocar un relleno aligerado (arlita,
polietileno, etc) entre la galera y la losa de la subrasante.
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18 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
Figura 4. Seccin de tnel con tuneladora
Figura 5. Seccin de tnel con una galera inferior
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 19
6. EL AGUA EN EL TNEL
En algunos tneles se produce una importante infiltracin de agua
procedente del terreno. El agua est en la parte inferior de la
seccin, en contacto con el pavimento, y puede afectar a todos los
materiales que lo constituyen, y especialmente a la explanada.
Si esta infiltracin es localizada, la mejor solucin es disponer
una sobreexcavacin rellena con material drenante y conducir a
continuacin el agua por un colector. En estos casos lo mejor es
disponer una capa impermeable entre el relleno filtrante el
pavimento, y lo mejor es construir la subrasante y el resto de la
estructura del pavimento por encima de esta capa.
Si, por el contrario, la infiltracin es muy generalizada, son
posibles dos soluciones:
siempre que el presupuesto lo permita, es aconsejable disponer
una impermeabilizacin completa de la seccin, con el fin de aislar
al trfico del agua. Esto puede lograrse mediante una combinacin de
un geotextil, (normalmente con una lmina impermeable y otra
filtrante), inyecciones en el terreno, e inyecciones entre el
conjunto terreno-sostenimiento-revestimiento.
cuando la impermeabilizacin es una opcin de un coste demasiado
elevado para la obra, debe construirse una capa drenante de
capacidad suficiente para conducir el agua hasta un dren
lateral.
Si no se impermeabiliza el tnel en su totalidad el agua
infiltrada en clave y hombros puede gotear (o, lo que resulta ya
inaceptable, chorrear) sobre la calzada. En estos casos es muy
recomendable colocar geotextiles que conduzcan el agua a la
calzada, y sumideros para llevar el agua fuera de la seccin de
firme tan pronto como sea posible. Hay que examinar seriamente el
funcionamiento de un firme mojado durante todo (o casi todo) el ao,
la incidencia de este hecho en la seguridad vial. Tenga presente el
lector que la seguridad en la que es efectivo invertir en, sobre
todo, la primaria, que conduce a evitar los accidentes o a
disminuir el riesgo de que ocurran.
En condiciones climticas extremas, con temperaturas muy bajas,
pueden producirse adems heladas. Esto ocurre, por ejemplo, en
Noruega, pero no es de inters especial ni en Espaa ni en
Venezuela.
La figura 6 muestra el detalle lateral de la capa drenante para
tneles en roca con afluencia moderada de agua. Si la longitud de
surgencia es importante, o lo es el caudal infiltrado, es
importante disponer un colector de dimetro importante, superior
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20 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
a 0,50 m, para aumentar la capacidad de desage sin un aumento
apreciable del coste.
Figura 6. Seccin de tnel con una galera inferior
El fracaso en la gestin del agua afecta de forma importante al
pavimento, tanto en el deterioro de los materiales como en su
respuesta a las cargas.
7. LAS OPERACIONES DE CONSERVACIN Y REHABILITACIN
Es preciso clasificar las operaciones de conservacin y
rehabiitacin en funcin de cuatro criterios:
tipo de pavimento
frecuencia necesaria de la operacin
duracin de la operacin en el tnel (ya sea en caso de una
actuacin puntual o en todo el tnel), en das o en jornadas de
trabajo
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 21
afeccin a la seccin de la restriccin necesaria de la circulacin,
contando el margen lateral deseable de seguridad.
Ya puede apreciarse que las restricciones de seccin (con una
duracin total correspondiente al tercer punto citado) suelen
obligar a usar el arcn en tneles nicos bidireccionales en los que
no sea aconsejable el corte total del tnel.
Tambin debe tenerse en cuenta que el refuerzo de pavimentos no
puede abordarse desde la superposicin de capas nuevas, porque
afecta al glibo libre.
8. PECULIARIDADES DEL DIMENSIONAMIENTO
El dimensionamiento de pavimentos en tneles debe seguir el mismo
proceso que en el resto de la carretera, una vez se haya decidido
el tipo de pavimento que se dispone en el tnel y fuera del mismo.
La situacin de incendio no interviene, pues, en el dimensionamiento
del pavimento, aunque puede incidir en la eleccin del tipo de
pavimento.
Tanto la calidad de la explanada como la intensidad de trfico
pesado son iguales en el tnel y fuera. Sin embargo, las condiciones
ambientales s difieren. En un tnel que no sea profundo las
oscilaciones trmicas son mensuales y no diarias, y las diferencias
entre los valores mximo y mnimo son mucho menores. Prcticamente
puede descartarse la fatiga trmica, as como el envejecimiento de
los betunes por razones trmicas.
En tneles profundos, como los tneles de base, la temperatura
ambiente es elevada, lo que debe tenerse en cuenta. La regla
geotrmica de un grado cada 33 m es demasiado basta, y suele ser
imprecisa en tneles de carretera o ferrocarril, pero s hay casos
con temperaturas superiores a 35 durante toda la vida del
pavimento.
La segunda circunstancia caracterstica ya ha sido comentada, y
es la duracin de la afeccin del agua que puede saturar capas de
pavimento. En tneles los materiales pueden estar saturados durante
meses o aos, lo que puede afectar a la adhesividad rido-ligante,
por ejemplo.
La tercera circunstancia que afecta al dimensionamiento es la
frecuente imposibilidad de refuerzo mediante la adicin de capas,
dada la afeccin al glibo.
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22 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
9. ALGUNOS CASOS CLAROS
Ya se ha insistido en la dificultad de establecer reglas fijas
de eleccin del tipo de pavimento. Mucho ms sencillo es citar casos
generales con un primer resultado claro, si bien es preciso
recalcar la responsabilidad de cada ingeniero que disea en su caso
concreto, responsabilidad que no puede descargarse sobre autores o
expertos que nunca han visto este caso concreto.
En un tnel corto (menos de 500 m) en una carretera de montaa
bidireccional el pavimento ms eficaz suele ser el flexible o
semiflexible, que puede adems reforzarse (si el galibo adoptado
inicialmente tiene ese margen) a medida que el trfico crece.
Si la longitud de tnel es algo mayor (lo que suele ocurrir en
carreteras de calzadas separadas) y la intensidad de trfico pesado
es importante puede ser muy interesante construir un pavimento
semirgido. En este pavimento la vida de las capas inferiores es muy
elevada si la calidad del material y el espesor responden a los
criterios usuales de dimensionamiento. Adems, es posible
rehabilitar el pavimento mediante el fresado y reposicin de parte o
toda la capa bituminosa.
En un tnel doble excavado con tuneladora, en mbitos urbanos y
con una intensidad de circulacin muy elevada (incluso sin contar
con los camiones) es difcil encontrar perodos adecuados para el
corte de uno de los tneles. En este caso es muy interesante la
opcin por una solucin de mantenimiento cero, meta que so ben no es
alcanzable si puede aproximarse. Adems, ya se ha mencionado el
elevado coste del espacio, que anima a disminuir los cantos. Por
tanto, la solucin ms adecuada es el pavimento de hormign amado
continuo, de manera que existan tramos muy largos sin juntas. Este
tipo de pavimento puede no tener juntas salvo en el contacto con
las estructuras, y en un tnel como el mencionado puede ser
aconsejable disponer algunas juntas adicionales.
Un tnel con contrabveda tiene una solucin clara, mientras que no
sea de una longitud muy importante (ms de 10 km de calzada en
tnel), y cuando el pavimento tiene una rodadura bituminosa fuera
del tnel, una solucin clara es un pavimento inverso o semirrgido,
aprovechando el relleno con hormign pobre como subrasante, y un
espesor del orden del medio metro superior del relleno se construye
con suelocemento y gravacemento.
A modo de conclusiones sirvan estos prrafos que resumen algunas
opiniones personales y criterios desarrollados a lo largo de ms de
quince aos de ejercicio profesional. Quede al mismo tiempo claro
que deben ser revisados en funcin de la
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 23
cultura tcnica local, de los criterios disponibles (una buena
fuente es la AIPCR), las caractersticas del trfico ligero pesado,
el anlisis de riesgos de incendio y el terreno cruzado.
En mi opinin, un criterio fundamental es el pavimento fuera del
tnel, y el menor procedimiento es elegir el tipo de pavimento
teniendo en cuenta todo el eje: la va en desmonte y relleno, las
tneles y las estructuras. Se consigue una ingeniera ms eficaz
cuando se consideran todos los factores, siempre que se asigne a
cada factor un peso adecuado.
La mayora de los tneles del mundo tienen pavimentos
semiflexibles o flexibles. Crece el uso de pavimentos rgidos debido
a la presin de la disminucin del mantenimiento y al estado de
alarma social existente frente a los incendios en tneles y la
posible contribucin de los materiales bituminosos a la carga de
fuego y a los componentes del humo. Los pavimentos rgidos deben ser
armados continuos, para evitar la presencia de juntas y fenmenos
como el escalonamiento de losas o el bombeo de finos. Esta solucin
se justifica nicamente para trficos muy intensos, en IMD total o en
vehculos pesados, cuando (si la solucin de pavimento exterior es
diferente) las longitudes de tnel son superiores a los 6 a 10
km.
A continuacin se incluyen algunas fotografas que recogen el
aspecto de diversos tneles.
10. BIBLIOGRAFA
[1] AIPCR (1999) Fire and Smoke Control in Road Tunnels
[2] AIPCR (1996) Road Safety in Tunnels
[3] AIPCR (1999) Classification of Tunnels. Existing Guidelines
and Experiences.
[4] ASOCIACIN ESPAOLA DE LA CARRETERA Capas de base para firme V
Congreso Nacional de Firmes, Espaa.
[5] EIRUM, R. Pavement Design for Road Tunnels , NFF,
Noruega
[6] KRAEMER, C. Et al. (2004) "Ingeniera de Carreteras Tomo II
". Coleccin Escuelas. McGraw-Hill, Madrid, Espaa.
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24 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
[7] MINISTERIO DE FOMENTO (2001) Orden Circular Riegos
auxiliares, mezclas bituminosas y pavimentos de hormign. Direccin
General de Carreteras, Madrid, Espaa.
[8] MINISTERIO DE FOMENTO (2003) Norma 6.1 IC de Secciones de
Firme Boletn Oficial del Estado de Espaa, nmero 297, 13 de
diciembre de 2003.
[9] GRATA, J. (2004) Contractor set to fix Squirrel Hill Tunnel
repaving job. Pittsburgh Post-Gazette, 2 de septiembre de 2004
[10] SCHREFLER, B.A: et al. (2002) Concrete at high temperature
with application to tunnel fire. Computational Mechanics nmero 29 ,
pp. 4351, Springer-Verlag.
[11] TRANSPORTATION RESEARCH BOARD (2000): " Highway Capacity
Manual". TRB, National Research Council, Washington, D.C.
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 25
Figura 7. Tnel de Malmasn (Espaa) con pavimento bituminoso
semiflexible
Figura 8. Tnel en Holanda con pavimento de hormign
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26 CONGRESO DE PAVIMENTOS ASFLTICOS DE VENEZUELA
Figura 9. Tnel en Guadalajara (Espaa) con pavimento flexible
Figura 10. Tnel en Guipzcoa (Espaa) con pavimento
semiflexible
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CARRETERAS DE DOS CARRILES 27
Figura 11. Tnel en la M-40 en Madrid (Espaa) con pavimen o
semiflexible t
Figura 12. Tnel 2 de Guadarrama (Espaa) con pavimento
semiflexible
IntroduccinTipos de pavimentoClasificacin de tnelesClasificacin
de la UE
factores de eleccin del tipo de pavimentoCaractersticas de los
tnelesCaractersticas del pavimento
La constitucin de la subrasanteIntroduccinTneles en roca
buenaTneles en suelos sin empujes ni hinchamientoTneles con
contrabveda \(en rocas o suelos\Tneles ejecutados con
tuneladoraTneles con una galera inferior
El agua en el tnelLas operaciones de conservacin y
rehabilitacinPeculiaridades del dimensionamientoAlgunos casos
clarosBibliografa