I.
DISEÑO DISEÑO DE TUNELES TUNELES FUNCIONAN FUNCIONANDO DO COMO CANAL CANAL
Cuando hablamos de transporte por conducto cubierto nos referimos a aquellas obras que conducen agua a régimen de canal, a través de una loma (cerro), llamados llamados túneles. Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, se presenta la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla mediante la construcción de un túnel. Antes de constr construir uir el túnel túnel es necesari necesario o realiz realizar ar los los diseño diseñoss geotéc geotécnic nicos, os, estruct estructural urales, es, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad. Se da la utilización utilización de túneles túneles en los siguiente siguientess casos:
Cuando es necesario necesario pasar pasar el agua de un valle a otro, atraves atravesando ando el macizo macizo montañoso montañoso que los separa.
Cuan Cuando do de est este modo odo se evita evita el desar desarro roll llo o
de un largo argo canal canal abier abierto to y con con el
consi consigu guie ient nte e aume aument nto o de pend pendie iente nte y reducc reducciión de la secci sección, ón, se cons consig igue ue una una apreciable economía.
Cuando la la pendiente pendiente transversal transversal es demasia demasiado do elevada elevada y el material de mala calidad, calidad, no permiten permiten asegurar la la estabilidad estabilidad del canal abierto.
A. FINA FINALID LIDAD AD Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica del canal original, original, o adaptarse adaptarse a la sección sección transvers transversal al del túnel. túnel.
B. FORMA FORMA DE TRAB TRABAJO AJO DEL DEL TUNEL TUNEL Los túneles pueden pueden trabajar trabajar a:
1. A grave gravedad dad Si tienen una superficie superficie libre a presión atmosférica atmosférica como los canales canales abiertos. abiertos. Deben seguir seguir rigurosamente la alineación alineación vertical dada por la la gradiente calculada. Se utiliz utilizan an cuand cuando o el nivel nivel de agua es casi constante constante a la entrada entrada,, o sea sea en las tomas tomas por derivación directa (fig1).
2. A presió presión n Si llenan toda la sección como las tuberías. tuberías. Pueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por debajo de la línea línea piezométrica piezométrica (fig2). (fig2).
Se utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su entrada se ubica a no menos de 2metros por debajo del nivel mínimo de agua. Al final del túnel se coloca una chimenea de equilib equilibrio. rio.
C. CRITERI CRITERIOS OS DE DISEÑO DISEÑO
Acortar el recorrido recorrido del agua, con la consiguiente consiguiente disminuci disminución ón de la perdida de carga y que dan pocos gastos de conservación; pero su inconveniente fundamental es el costo, no obstante el precio de los túneles de abastecimiento es considerablemente más bajo que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, ya que las dific dificult ultades ades de constr construcc ucció ión n de los túneles túneles aument aumentan an muy fue fuertem rtement ente e con el aumento de tamaño. A su vez por esta misma razón la ejecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a galerías de avance, ni a métodos especiales.
Las secciones transvers transversales ales más empleadas empleadas son la herradura herradura para canales rodados y la circular para conducciones a presión, estas secciones deberán tener unas dimensiones mínimas que permitan el trabajo relativamente cómodo en su interior.
Sin embargo es conveniente proyectar los túneles de forma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente mayores a los de proyecto), puesto que así se facilitan los incrementos futuros del abastecimiento.
Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar filtraciones y pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuberías forzadas en su interior, el túnel podrá dejarse sin revestir.
D. DISEÑO DE LA SECCIÓN (TUNELES A GRAVEDAD) La forma de la sección de un túnel debe ser tal que para un área dada, el caudal que circula debe ser máximo y también que resista a las presiones generadas en el interior. La construcción de túneles así como la selección de su forma y tipo de revestimiento está íntimamente ligada con la geología, mecánica de suelos y rocas, puesto que uno de los datos más importantes es la presión que debe soportar.
Formas de sección: Dimensiones Mínimas.
Caso extremo de túneles pequeños
H=1.5B, 2B > 1.80m Hmin = 1.80m Bmin ≥ 1.40m
1. Túneles De Sección Circular Un canal semicircular es el más conveniente desde el punto de vista exclusivo de la eficiencia hidráulica. Sin embargo, este tipo de túneles para canales es poco usado por las dificultades constructivas que conlleva. El método español de Barragán considera la construcción mecánica de secciones circulares. Según dicho ingeniero las secciones circulares representan una economía importante frente a las otras secciones. En todo caso nuestra opinión es que es difícil una generalización y en cada caso debe hacerse un análisis técnico- económico.
Fig. 3 – Desembocadura de túnel de trasvase en el Embalse del Guavio
a. CALCULO HIDRAULICO Para el caso del diseño hidráulico tomaremos al túnel como si fuera una tubería de sección circular, a continuación examinemos el caso de un tubo circular parcialmente lleno:
Mediante simples consideraciones geométricas se puede determinar el área, perímetro y demás elementos de la sección transversal ocupada por el fluido. La tubería que trabaja parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una velocidad media y un gasto mayor a los que corresponderían a tubo lleno. Examinemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad máxima en un tubo parcialmente lleno. Consideremos una tubería cuyo diámetro es D y cuyo radio es r. El flujo corresponde a un tirante y.
Se trata de hallar la relación y/D que da la máxima velocidad para el flujo, AB es la superficie libre, θ es el ángulo en el centro.
Las expresiones correspondientes al área, perímetro mojado y radio hidráulico son:
Si consideramos las fórmulas de Manning o de Chezy, o cualquier otra, para el cálculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple que:
Para pendiente y rugosidad constantes, k, x dependen de la formula particular empleada. Por lo tanto, para que la velocidad sea máxima se requiere que el radio hidráulico sea máximo
De donde:
Θ es
el ángulo que corresponde a la velocidad máxima.
Se determina inmediatamente que:
El tirante
De donde
Por lo tanto, cuando el tirante es 0,81D la velocidad es máxima.
Se observa que el resultado obtenido es independiente de la fórmula con la que se calcule la velocidad media. Calculemos ahora cual es el valor de Y/D que hace que le gasto sea el máximo:
El gasto, si usamos la fórmula de Manning, tiene por expresión
Se observa que para S y n constantes el máximo valor del gasto corresponde al máximo valor de AR2/3
De donde
Que es el ángulo que corresponde al gasto máximo. Se determina inmediatamente que:
El tirante es
De donde
Por lo tanto, cuando se usa la fórmula de Manning para los cálculos, el gasto es máximo cuando y = 0,94 D. Si se hubiera empleado la fórmula de Chezy, entonces la condición hubiera sido:
Y se habría obtenido
Por lo que cuando se usa la fórmula de Chezy para los cálculos, el gasto es máximo cuando y= 0,95D.
2. Túneles Tipo Baúl
La forma de baúl es más sencilla de construir. La Figura ilustra las características de un túnel tipo baúl.
Las dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. El ancho y tipo de túnel dependerá de las necesidades del proyecto, establecidos por criterios como el caudal y la velocidad.
a. CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA TUNELES TIPO BAUL
Herradura Estándar
Donde R= radio de la bóveda Β = ángulo con la horizontal que
hace el radio que toca la intercepción de la superficie de con la bóveda. h=d = colado del agua (tirante) A = área mojada
P= perímetro mojado R = radio hidráulico n = coeficiente de rugosidad.
a. Calculo hidráulico El área mojada es igual a:
Donde r es el radio de la bóveda:
β
,
es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la
superficie del agua con la bóveda. d, es el calado (Tirante) de agua. El perímetro mojado es igual a:
El radio hidráulico es igual a:
El caudal es igual a:
S=pendiente.
b. Características hidráulicas de Túnel tipo Baúl para diferentes tirantes (d=h)
∗
൘ ૡ
h/r
ൗ
P/r
R/r
2
3.5439
6.9266
0.5116
2.269
1.99
3.5421
6.6435
0.5331
2.329
1.98
3.5387
6.526
0.5422
2.353
1.97
3.5342
6.4355
0.5491
2.370
1.96
3.529
6.359
0.5549
2.383
1.95
3.523
6.2915
0.5600
2.394
1.94
3.5165
6.2302
0.5644
2.402
1.93
3.5094
6.1737
0.5684
2.408
1.92
3.5018
6.1213
0.5720
2.413
1.91
3.4937
6.0716
0.5754
2.417
1.90
3.4853
6.0246
0.5784
2.419
1.89
3.4763
5.9797
0.5814
2.420
1.88
3.4669
5.9367
0.5840
2.421
1.87
3.4573
5.8953
0.5865
2.421
1.86
3.4473
5.8555
0.5887
2.420
1.85
3.4368
8.8170
0.5908
2.418
1.84
3.4261
5.7795
0.5928
2.416
1.83
3.4153
5.7435
0.5946
2.414
1.82
3.4039
5.7080
0.5963
2.410
1.81
3.3924
5.6736
0.5979
2.406
1.80
3.3804
5.6393
0.5994
2.405
1.70
3.2485
5.3362
0.6088
2.330
1.60
3.0967
5.0784
0.6105
2.236
1.50
2.9298
4.8326
0.6063
2.100
1.40
2.7513
4.6084
0.597
1.952
1.30
2.564
4.3918
0.5834
1.781
1.20
2.3705
4.1881
0.565
1.62
1.10
2.1728
3.9857
0.5452
1.453
1.00
1.9728
3.7854
0.5213
1.280
3. Túneles Tipo Herradura Es frecuente que los túneles se construyan con una sección diferente de la circular. Una delas secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguientetabla sirve como ayudapara el cálculo de las secciones en herradura (horseshoe).
Donde: Y = tirante D = diámetro A = área P = perímetro mojado R = radio hidráulico
a. Propiedades hidráulicas de las secciones en herradura
4. Velocidades De Diseño En Los Túneles
Para caudales constantes oscila entre 1.5 a 2.5 m/s, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable.
En túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 a 4.5 m/s.
Rugosidad: puede utilizarse:
n:0.013
ó n:0.015
Si la roca es sana: n: 0.04 En túneles que trabajan a gravedad; el tirante no debe pasar el 85% de la altura total.
El borde libre : BL ≥ 0.40 m (mínimo=0.30m)
Puede utilizarse: BL=30%R(debe verificarse)
E. EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO PARA CUALQUIER CONDUCTO ABOVEDADO Ahora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conductoabovedado. Siempre se tendrá por continuidad que:
De donde
Que es la condición de máximo caudal. De acá
También debe cumplirse la ecuación de Chezy
O bien
Si reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dV y además se reemplaza el valor de dV obtenido de la ecuación de Chezy se llega a:
Que es la ecuación diferencial que fija la condición de gasto máximo en cualquier conductoabovedado en el que se calcule el gasto con la fórmula de Chezy. Si hubiéramos usado la fórmula de Manning se habría obtenido que el gasto máximo paracualquier conducto abovedado está dado por:
F. EXPRESIÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PARA CUALQUIER CONDUCTO ABOVEDADO En cualquier conducto abovedado debe cumplirse que:
De donde
Que es la condición de máxima velocidad en cualquier conducto abovedado. Esta ecuación nodepende de la fórmula empleada para el cálculo de la velocidad.
De igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de sección. La velocidad de diseño en los túneles oscila entre 1,5 y 2,5 m/s para caudales constantes, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable. En los túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 m/s a 4.5 m/s. Tomando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza con encofrados metálicos que producen superficies bastante lisas, el coeficiente de rugosidad se toma entre n=0.013 y n=0.015.
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS E HIDRÁULICAS DE TÚNELES 1.1. TÚNEL COLCA - HUAMBO (PROYECTO MAJES)
1.2. Túnel INTERCUENCAS (PROYECTO CHAVIMOCHIC)
1.3. TÚNEL TRASANDINO (PROYECTO OLMOS)
1.4. TÚNEL LLAUCANO (PROYECTO TINAJONES II)
2.
TUNELES IMPORTANTES EN EL MUNDO 2.1. TUNEL BELLEDONE (ARC – ISERE, FRANCIA) Longitud = 18.20 km Cobertura máxima = 2.0 km Diámetro = 5.80 m Temperatura = 35°C Ejecución = Años 1974 – 1978
LONGITUD km
METODO DE PERFORACION
AVANCE PROMEDIO MENSUAL (m/Mes)
Lado A
8.20
convencional
148
Lado B
10.00
Con TBM
204
FRENTE DE TRABAJO
2.2. EUROTÚNEL: a. Túnel que une las ciudades de Francia y Gran Bretaña, bajo la mancha. b. Situado a 240 m bajo el nivel del mar en su punto más profundo y a 100 m por debajo del lecho del estrecho de Tsugaru que separa las dos islas. c.
Túnel Ferroviario doble, de 50 Km de longitud por cada túnel gemelo.
d. Diámetro : 7.60 m
e. Trabajaron: 10 000 hombres por frente. f.
Avance de perforación: 700 m/ Mes.
g. Costo: 15 Billones de Dólares h. Costo de TBM usados: $ 10 – 14 mió (USD)
2.3. TÚNEL SIMPLON a. Es el túnel más largo que hay en Europa, para tráfico ferroviario entre Italia y suiza. b. Longitud: 20 km.
2.4. TÚNEL SEIKAN a. Es el túnel más largo del mundo que enlazará por tren y bajo el agua dos de las cuatro islas importantes del Japón: Hokaido, y Honshu, donde se asiéntala capital de Tokio. b. Longitud: 54 km. c.
Tramo bajo agua: 36.5 km (mayor que el del Eurotúnel, que es de 23.3 Km).
d. Periodo de construcción: 42 años. e. Es una obra gigantesca, considerado el proyecto más importante del siglo pasado.
