Manual de diseño y construcción de túneles de carretera

Transcripción

1 Manual de diseño y construcción de túneles de carretera

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3 Lic. Gerardo Ruiz Esparza Secretario Lic. Raúl Murrieta Cummings Subsecretario de Infraestructura Ing. Clemente Poon Hung Director General de Servicios Técnicos Este Manual puede consultarse en la página web de la Dirección General de Servicios Técnicos: Secretaría de Comunicaciones y Transportes Subsecretaría de Infraestructura Dirección General de Servicios Técnicos Av. Coyoacán No Col. Acacias Delegación Benito Juárez México, D.F. Primera edición 2016

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5 Capítulo 1. Introducción Capítulo 2. Diseño del trazo y de la sección tipo 2.1. Trazo en planta y perfil Topografía Delimitación del área de estudio Grado de precisión Levantamiento topográfico de detalle para diseño de portales y obras exteriores (cuartos o edificios de control) Replanteo en campo previo a la construcción Criterios generales para seleccionar túnel contra tajo Criterios generales para la definición de los emportalamientos 2.2. Perfil longitudinal Perfil del terreno 2.3. Sección transversal Gálibos horizontal y vertical Criterios generales para la configuración geométrica de la sección Evolución de la calzada en función del trazo y su influencia en la definición de la sección interior Definición del ancho de calzada Acotamientos Banquetas Sección geométrica para túneles en carreteras Tipo A Túneles de longitud menor a 500 m Túneles de longitud mayor a 500 m Sección geométrica para túneles en carretera Tipo A Sección geométrica para túneles en carretera Tipo A4 S Túneles de longitud menor a 500 m Túneles de longitud mayor a 500 m Sección tipo en túneles con contrabóveda Zapatas del revestimiento y juntas de construcción Faja separadora central Área para instalaciones Bahías de emergencia Criterios generales para la ubicación de bahías de emergencia Túneles de escape o de emergencia Galerías de conexión 1

6 Capítulo 3. Estudios geológicos y exploración 3.1. Introducción 3.2. Recopilación y análisis de información existente 3.3. Geología regional 3.4. Geología local Levantamiento geológico de detalle 3.5. Prospección geofísica Método Sísmico Métodos Eléctricos Sondeos Eléctricos Verticales (SEV) Calicatas Eléctricas Dipolo-dipolo o pseudosecciones Métodos electromagnéticos Geofísica en el interior de sondeos 3.6. Exploración directa Sondeos exploratorios Capítulo 4. Integración geotécnica y diseño preliminar 4.1. Introducción 4.2. Caracterización de la roca matriz en función de su resistencia Ensayos de laboratorio para rocas Tipos de comportamiento Sistemas de clasificación ingenieril para la roca matriz Integración de resultados del estudio de resistencia de la roca matriz 4.3. Clasificaciones geomecánicas RQD (Deere, 1966) Clasificación RMR (Bieniawski, 1989) Sistema NGI (Q) Geological strength index, GSI (Hoek, 1985) Consideraciones sobre el empleo de clasificaciones geomecánicas 4.4. Estimación de los parámetros de deformabilidad y resistencia del macizo rocoso Estimación de las propiedades de deformabilidad del macizo, E m y n m Correlación entre Q, RMR y GSI 2

7 Correlación entre calidad y módulo de Young Coeficiente de Poisson, n m Ley de resistencia del macizo rocoso según el criterio de Hoek y Brown Estimación de parámetros del criterio de rotura de Hoek-Brown para el macizo rocoso Parámetros de Mohr-Coulomb para el macizo rocoso a partir del criterio de Hoek y Brown Parámetros de resistencia para el macizo rocoso a partir de datos experimentales Consideraciones finales sobre los parámetros de resistencia del macizo Modelos geomecánicos Parte geológica-geomorfológica Topografía Litología y estructura geológica: Esfuerzos In Situ Parte geométrica y constructiva Geometría Modelación de las fases y etapas de excavación y sostenimiento Parte constitutiva 4.6. Consideraciones geotécnicas para la definición de procedimientos constructivos Recomendaciones derivadas de las clasificaciones geomecánicas Definición de Unidades y Condiciones Geotécnicas Definición de procedimientos constructivos para distintas condiciones geotécnicas Recomendaciones constructivas para las distintas condiciones geotécnicas Secciones tipo de sostenimiento y procedimientos de excavación 4.7. Conclusiones Capítulo 5. Proyecto de los tajos de acceso 5.1. Criterios para la definición geométrica de los portales 5.2. Definición geológica y geotécnica de las excavaciones 5.3. Modelos geomecánicos de los taludes 5.4. Métodos analíticos de cálculo de la estabilidad Roturas planas Roturas en cuña 3

8 Rotura circular Inestabilidad por vuelco de bloques Resistencia al corte de las discontinuidades Módulo de Mohr-Coulomb Modelo de Patton Modelo de Barton 5.5. Tratamientos de estabilización Medidas de estabilización Medidas de protección superficial Medidas de drenaje Elementos estructurales resistentes Muros y elementos de contención 5.6. Diseño de los tratamientos Cálculo de anclajes pasivos Cálculo de anclajes activos 5.7. Diseño estético y paisajístico Capítulo 6. ANÁLISIS DE EXCAVACIONES 6.1. Introducción 6.2. Generalidades y definiciones Consideraciones previas a los análisis y los diseños Selección de los criterios de cálculo Cálculo numérico Modelización de las fases y etapas de excavación y sostenimiento Parte constitutiva Medios continuos, discontinuos y continuo-equivalentes Modelos continuos en medios no estructurados Modelos de medio continuo equivalente Modelos discontinuos Métodos discretos vs continuo equivalente Modelización de la excavación de acuerdo a la naturaleza litológica del terreno 6.3. Análisis para distintas condiciones de respuesta del medio Presiones activas o de montaña Consideraciones básicas para el análisis bajo presiones de montaña Excavaciones en túneles sujetos a presiones de aflojamiento 4

9 Túneles en roca fluyente Consideraciones empíricas Túneles en materiales expansivos Fenomenología Tipos de expansividad Túneles sujetos a desprendimiento de bloques o cuñas Representación estereográfica de las cuñas y/o bloques potencialmente inestables Formulación para los análisis de estabilidad del túnel Determinación de las propiedades de las discontinuidades Análisis de sensibilidad 6.4. Modelos de cálculo tenso-deformacional Generalidades Simulación del estado inicial de esfuerzos Análisis de las distintas etapas constructivas Análisis en 2D. Criterios para la simulación de la excavación y el efecto del avance del frente en la colocación y el desempeño de los sostenimientos Avance de la excavación y el sostenimiento Ejemplo de análisis tenso-deformacional de un túnel carretero Caracterización geológico-geotécnica Procedimiento constructivo Primera aproximación: modelización en dos dimensiones Modelización en tres dimensiones Capítulo 7. Métodos de excavación 7.1. Introducción 7.2. Consideraciones para la selección del método de excavación 7.3. Definición de fases y secuencias de excavación 7.4. Excavación mediante el uso de explosivos Generalidades Procedimiento Maquinaria de perforación Martillos manuales Jumbos Track drill e hidro-track Canastilla de servicios Accesorios de perforación 5

10 Explosivos, iniciadores y accesorios Cálculo de parámetros Control de vibraciones Proceso para la obtención del permiso para el uso y manejo de explosivos Funcionamiento de los explosivos Monitoreo Criterios de seguridad 7.5. Excavación mecánica Martillos hidráulicos pesados Pistola Neumática Rozadoras Máquinas de precorte Máquina tuneladoras Tuneleras para roca 7.6. Extracción de material producto de la excavación Generalidades Equipos para carga y retiro de material Pala excavadora Cargador frontal Cargador LHD Cintas Transportadoras Retiro de material con ferrocarril Capítulo 8. Sistemas de sostenimiento 8.1. Generalidades y definiciones Generalidades Definiciones 8.2. Tipos y clasificación de sostenimientos Concepto de auto-sostenimiento o auto-soporte Tipos de sostenimientos Clasificación de sostenimientos 8.3. Concreto lanzado Generalidades Concreto lanzado reforzado con malla electrosoldada Concreto lanzado reforzado con fibras Ventajas del concreto lanzado y requerimientos de diseño Ventajas Requerimientos de diseño 6

11 Sistemas de aplicación Propiedades de los materiales La mezcla de concreto Malla electrosoldada Fibras de acero Fibras sintéticas Aditivos Dosificaciones típicas para el concreto lanzado Equipos de lanzado Aplicación manual Robots de lanzado 8.4. Anclas tensadas y anclas de fricción Introducción Ventajas de utilización Sistema de anclaje por fricción Elementos de anclaje Tipos de fijación Sistemas de anclaje activo Propiedades de los materiales Generales Barras de fibra de vidrio Resinas Anclas auto-perforantes Pernos tipo Swellex Pernos tipo Split-Set 8.5. Marcos metálicos Introducción Tipologías y consideraciones de diseño Perfiles estructurales tradicionales Perfiles TH Marcos de celosía Otras tipologías Propiedades de los materiales Perfiles estructurales Conexiones 8.6. Sistemas de enfilaje frontal Generalidades Tipologías Paraguas ligeros Paraguas pesados 7

12 Paraguas de Jet-Grouting Propiedades de los materiales Lechadas de cemento Barras de refuerzo (varillas) Micropilotes 8.7. Concreto colado in situ Generalidades Propiedades de los materiales Concreto Acero de refuerzo Capítulo 9. Análisis y diseño estructural de los sistemas de sostenimiento 9.1. Generalidades y definiciones 9.2. Modelización de los diferentes tipos de estructuras Modelos para la simulación de conexiones Elementos tipo barra Modelos estructurales para el cálculo de elementos continuos de concreto Elementos tipo placa Elementos tipo cascarón Elementos tipo viga Modelización de elementos de reforzamiento del terreno Modelización de elementos estructurales para anclas de fricción Modelización de elementos estructurales para marcos metálicos y puntales Modelización de elementos estructurales para micropilotes Modelización de estructuras de concreto mediante elementos de medio continuo Condiciones de carga y frontera para el análisis de los elementos de soporte 9.3. Presiones y cargas del terreno sobre el soporte y elementos de estabilización y reforzamiento del medio Presiones de montaña Cargas de aflojamiento Determinación de las presiones de aflojamiento mediante métodos empíricos Consideraciones sobre los métodos empíricos de estimación de las presiones de aflojamiento Técnicas de análisis 8

13 Presiones de hinchamiento Criterios de diseño Presiones por roca fluyente Cargas por desprendimiento de cuñas 9.4. Análisis y diseño estructural Criterios generales Análisis y diseño estructural de elementos de concreto lanzado Consideraciones sobre la modelización del concreto lanzado Capacidad estructural del concreto lanzado Mecanismos de interacción del concreto lanzado Concreto lanzado con malla electrosoldada Concreto lanzado con fibras de acero Estados límite de servicio de agrietamiento Análisis y diseño estructural de marcos metálicos Consideraciones generales Análisis por cargas de aflojamiento Cargas por desprendimiento de cuñas Conclusiones de los análisis y el diseño de los marcos metálicos Análisis y diseño estructural de elementos de concreto colado in situ (Revestimientos) Consideraciones preliminares Metodología básica Concreto simple Concreto armado Secciones compuestas Análisis y diseño estructural de sistemas de enfilaje frontal Consideraciones de cálculo y diseño Estados límite: Cálculo analítico de micropilotes Diseño estructural Capítulo 10. Túneles falsos y boquillas Introducción Consideraciones básicas para determinar su longitud Análisis y diseño estructural Aspectos físicos a considerar en los análisis Interacción terreno-estructura Condiciones estáticas Cargas en el sistema estructural Efectos Geométricos Efectos que induce el procedimiento constructivo 9

14 Modelización y análisis Condiciones de contorno La estructura de la bóveda, su rigidez y representación en el modelo de elementos finitos El material de relleno, sus propiedades de deformabilidad y resistencia Efectos no lineales Módulo de elasticidad del relleno lateral compactado Módulo de Poisson (n) Ángulo de fricción interna del relleno lateral compactado (f) Presión lateral del relleno sobre el túnel falso Especificaciones para los rellenos Estructura del túnel falso Modelo para cálculo Análisis estructural Estudio de sensibilidad Revisión estructural Resultados Conclusiones Capítulo 11. Revestimiento definitivo y acabados Introducción Revestimiento definitivo Criterios estructurales Concreto colado reforzado con varillas Concreto colado reforzado con fibra Concreto colado sin acero de refuerzo Concreto lanzado como revestimiento definitivo Elementos prefabricados (Dovelas) Paneles Apariencia y acabados Concreto hidráulico Concreto lanzado Paneles de acero esmaltado Pinturas cerámicas Capítulo 12. Drenaje e impermeabilización Sistema de impermeabilización Requisitos del sistema de impermeabilización 10

15 12.2. Geotextil Características Instalación Geomembrana Características Propiedades Instalación Otros elementos del sistema Pruebas de hermeticidad Drenaje interior Drenes en túnel Subdrenaje incluyendo pozos de visita Pozos de visita Bocas de tormenta Drenaje exterior Cunetas y contracunetas en portales Cunetas Contracunetas Lavaderos en portales Alcantarillas Drenes profundos en taludes Capítulo 13. Seguimiento técnico y auscultación Introducción Objetivo Interacción entre las partes involucradas en la obra Actividades del seguimiento técnico durante la construcción de túneles Descripción de las actividades Integración y análisis del expediente de la Constructora, de los estudios y proyecto constructivo del túnel Verificación topográfica de los tajos de acceso y de los soportes de estabilización, incluyendo en su caso las adecuaciones al proyecto que se requieran Seccionamiento de la excavación y confrontación de la geometría y los aspectos geotécnicos relevantes de las secciones excavadas del túnel Cartografía geológica y caracterización geotécnica durante la excavación del túnel y obras de acceso 11

16 Verificación y seguimiento en obra del suministro y colocación de los sistemas de excavación, soporte y sostenimiento (enfilaje, concreto lanzado, anclas, marcos, etc.). Incluye soluciones a problemas que se presenten durante la construcción Verificación, integración e interpretación de las mediciones de comportamiento de las excavaciones del túnel y obras de acceso En obras a cielo abierto Integración e interpretación de la instrumentación y mediciones en el interior del túnel Verificación de la construcción del drenaje, del revestimiento definitivo del túnel, túneles falsos y pavimento Recopilación, revisión y procesamiento de los datos de los ensayes de laboratorio Elaboración de planos de obra as built Capítulo 14. Control de calidad Introducción Generalidades Control de calidad Jefe de la unidad de aseguramiento de la calidad de obra Características de los materiales Terracerías Estructuras Control de calidad de concreto lanzado Control de calidad de concreto hidráulico Control de calidad de acero de refuerzo Control de calidad de acero estructural Materiales para obras de Drenaje y Subdrenaje Materiales para obras de pavimentos Métodos de muestreo y prueba de materiales Suelos y materiales para terracerías Muestreo de Materiales para Terracerías Clasificación de Fragmentos de Roca y Suelos Secado, Disgregado y Cuarto de Muestras Agua Densidades Relativas y Absorción Granulometría de Materiales Compactables para Terracerías Límites de Consistencia Masas Volumétricas y Coeficientes de Variación Volumétrica 12

17 Compactación AASHTO Valor Soporte de California (CBR) y Expansión (Exp) en Laboratorio Valor Soporte de California (CBR) en el lugar Materiales para estructuras Muestreo de Cemento Portland Muestreo de Concreto Hidráulico Revenimiento de Concreto Hidráulico Resistencias a la compresión simple de cilindros de concreto Superficie de Rodamiento ( de Perfil) Materiales para señalamiento y dispositivos de seguridad Ensayos de laboratorio Análisis y criterios estadísticos de control de calidad Causas de variación en las características por controlar Proceso bajo control estadístico Proceso fuera de control estadístico Análisis estadísticos Informes de control de calidad Requisitos que debe cumplir un informe de control de calidad Tipos de informes de control de calidad Informes de control de calidad Cartas de control de calidad Capítulo 15. Iluminación Introducción Definiciones relacionadas con el alumbrado de túneles Túnel, tipos y clasificación Clasificación de túneles Instalaciones en túneles Alumbrado Características y zonas del túnel Composición del tráfico Recomendaciones importantes Distancia en túneles largos y cortos Sistemas de alumbrado Alumbrado simétrico Alumbrado a contraflujo (CBL) Alumbrado a favor del flujo 13

18 15.8. Aspectos comunes de distintos métodos de diseño Efecto Flicker o parpadeo Limitación del deslumbramiento Control de alumbrado Términos relacionados con el tráfico Velocidad de diseño Densidad de tráfico Tránsito y geometría de la calzada Tránsito Túneles divididos y no divididos Problemática visual en los túneles Efecto Visual Fenómenos visuales Efecto de adaptación Fenómeno de inducción Luminancia de velo El aspecto del campo de visión en función de la orientación geográfica del túnel Distancia mínima de seguridad de frenado (DMSF) Alumbrado de túneles largos Alumbrado artificial de túneles cortos Señales de tráfico Método para determinar la luminancia en las diferentes zonas al interior del túnel Método aproximado Método más exacto Método de L 20 ponderado con el tráfico Clases de túneles Determinación de la luminancia de umbral L th Longitud de la zona de umbral y de transición Determinación de la luminancia en la zona interior del túnel La zona de salida Uniformidades de luminancia Alumbrado nocturno Decisión sobre la iluminación o no de túneles cortos Influencia sobre el porcentaje de visión a través Método alternativo o simplificado Publicación CIE No. 88:

19 Capítulo 16. Ventilación Generalidades Alcance de la ventilación natural Diseño del sistema de ventilación Sistemas de ventilación Ventilación natural Ventilación Longitudinal Ventilación semitransversal Ventilación transversal Cuartos técnicos Sistema de ventilación en caso de incendio Comportamiento del humo en el interior de un túnel La seguridad ante un incendio Extracción del humo en un incendio Recomendaciones de la Asociación Internacional Permanente de los congresos de carreteras (P.I.A.R.C.) sobre ventilación transversal Ámbito Normativo Ventilación de emergencia Generalidades Control de humo Objetivos del diseño Bases del diseño Ensayos en túneles Ensayo sin humos Ensayos con humos Ensayo de humo frío Ensayo de humo caliente Capítulo 17. Sistemas de seguridad y control Introducción Sistemas de seguridad en túneles Instalaciones generales Factores geométricos Longitud del túnel Número de cuerpos y número de carriles Gálibo vertical y horizontal Bahías de emergencia 15

20 Galerías de conexión y salidas de emergencia Equipamiento de túneles Iluminación Sistema de extracción de humos Ventilación Detección de incendios Estaciones de emergencia Postes de emergencia (postes SOS) Abastecimiento de agua Señalamiento en túneles Señalamiento Horizontal Señalamiento horizontal para túneles en carreteras tipo A Señalamiento horizontal para túneles en carreteras tipo A Señalamiento horizontal para túneles en carreteras tipo A4S Señalamiento horizontal en aproximación a bahía de emergencia Señalamiento vertical Señales preventivas Señal SP-6 Curva Señal OD-12 Indicadores de curvas peligrosas Señales restrictivas Señal SR-15 Altura libre restringida (Gálibo) Señal SR-18 Prohibido rebasar Señal SR-9 Velocidad Señales informativas Señal Nombre del túnel Señales Conserve su carril y Túnel próximo encienda sus luces Señal Bahía de emergencia Señal Salida a Galería de conexión Señal extintor y SOS Paneles de señalamiento y mensajes variables Radio Centro de control Sistemas de vigilancia Sistemas de Televisión de Circuito Cerrado (CCTV) Registros Detección de Incendios Emergencias 16

21 17.9. Equipos para el cierre del túnel Sistemas de comunicación Incidencias Sistema de Detección Automática de Incidentes (DAI) Suministro de electricidad de emergencia Resistencia a los equipos de fuego Factores de protección contra fuego y de seguridad humana contra incendios REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DE PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO Capítulo 18. Seguridad e higiene en la obra Introducción Generalidades Medidas preventivas comunes para cualquier sistema de ejecución de túneles Gafetes de identificación Control de acceso al túnel y visitas al mismo Señalización Iluminación durante la construcción Iluminación de emergencia Ventilación durante la construcción Circulación en obra Telefonía Protección contra incendios Servicios de drenaje y servicios sanitarios Medidas de seguridad en el frente de excavación Otros elementos de protección y seguridad Mediciones de sustancias tóxicas Equipos de protección individual (EPI s) Medidas preventivas Durante los trabajos de perforación Durante los trabajos de preparación para la voladura Higiene y planes de emergencia Contaminantes físicos Contaminantes químicos Plan de autoprotección y emergencia Primeros auxilios 17

22 Capítulo 19. Operación y mantenimiento Generalidades El manual de operación Plan general de operación Objetivos Actividades Planes parciales Plan de Operaciones Normales (P.O.N.) Plan de Emergencia Interior (P.E.I.) Plan de Mantenimiento (P.M.) Tipos de mantenimiento Organización del mantenimiento Recursos asociados al plan de mantenimiento Procedimientos de mantenimiento Ejecución de los trabajos Plan de implantación y seguimiento Objetivos del plan de implantación y seguimiento 18