TUNELES y MINERIA

MATERIA: TOPOGRAFIA II

TEMA: TOPOGRAFIA APLICADA A TUNELES Y MINERIA

TOPOGRAFÍA APLICADA A TUNELES Y MINERIA Desde muy antiguo el hombre ha contemplado la construcción de túneles como la alternativa a la necesidad, cada vez mayor, de comunicarse con el mundo que le rodea. Los ejemplos más antiguos de túneles construidos por el hombre se remontan a la civilización egipcia, que construyeron galerías subterráneas excavadas en roca para acceder a las tumbas de sus faraones. Posteriormente los romanos vieron en este tipo de obras la salida al problema de las conducciones de agua y alcantarillado, siendo los pioneros en la construcción de obras de saneamiento. Avanzando en el tiempo, llegamos a la Edad Media, en donde tan solo se construyeron túneles como vías de salida de emergencia de salida en castillos fortificados, o en los accesos a criptas de monasterios. Fue en tiempos del Imperio Napoleónico cuando se empezaron a construir algunos túneles en vías de comunicación, principalmente en la zona de los Alpes, pero en cualquier caso, de dimensiones reducidas. El verdadero detonante de la construcción de túneles, fue el ferrocarril, cuya aparición en el primer tercio del siglo XIX, obligó a los ingenieros de entonces al proyecto y ejecución de túneles para poder salvar los obstáculos naturales. Actualmente, tanto la construcción de los ferrocarriles de “Alta Velocidad” como las condiciones específicas de las autopistas y otros tipos de obras, exigen la construcción de túneles a lo largo de su trazado. TOPOGRAFÍA APLICADA A MINERIA

Replanteo de Denuncio Minero Levantamiento de Chimeneas Establecimiento de la dirección e inclinación de la chimenea Transferencia de Coordenadas en Galerías (Por socavón o galería, Bajada de plomadas) Determinación Determinaci ón de Azimut en interiores de mina Comunicación de labores. Replanteos. Cubicación Planos geológicos Planos , perfiles y secciones transversales Monitoreo de instrumentaci instrumentación ón geotécnica g eotécnica Monitoreo de puntos de control topográfico

1. IMPORTANCIA DE LOS TÚNELES Los túneles son un medio de comunicación artificial entre dos puntos separados por un suelo o roca. Su objetivo es el de permitir el paso de personas, ferrocarriles, vehículos, conducciones eléctricas, de agua u otros. Las razones habituales para desarrollar un túnel son: a) Terreno b) Economía c) Ordenación urbanística y de tráfico d) Estética y salud e) Minería

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2. CARACTERÍSTICAS DE UN TÚNEL El desarrollo de un túnel se realiza de igual manera que cualquier obra a cielo abierto teniendo en cuenta el tipo de sección elegida. Después de determinar los puntos entre los que se traza el túnel se deberán realizar: a) Planta b) Rasante c) Sección

PERFIL LONGITUDINAL

SECCION

3. TIPOS DE TÚNELES Y GALERÍAS SUBTERRÁNEAS a) Obras de paso b) Conducciones y galerías de alcantarillado y saneamiento c) Tuneles de carreteras, ferrocarriles y canales d) Conducciones de agua a presión e) Galerías de mina

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PERFIL LONGITUDINAL PARA REPLANTEO

Teodolitos de mina Teodolito giroscópico Estacionamientos especiales Consolas y plataformas de ajuste Plataforma de ajuste Mesas de centraje Regletas de centraje o ajuste Emisores láser Plomadas cenit-nadir Plomadas de gravedad (mecánicas) Plomadas ópticas Oculares acodados Miras especiales industriales Perfilómetros Instrumentación especial para el control de deformaciones Señalización de puntos

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NIVEL

TEODOLITO

PLOMADA DE GRAVEDAD

PLOMADA OPTICA CON GIROSCOPIO

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4. CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO DE UN TÚNEL El proyecto de un túnel es similar al de cualquier obra a cielo abierto, con las variaciones correspondientes al tipo de sección elegida. Una vez elegidos los puntos entre los cuales ha de construirse un túnel, el diseño de su planta, perfil longitudinal y sección tipo estará en función de: • PLANTA: la conformación de la planta dependerá de las alineaciones de entrada y salida así como del estudio geotectónico de la zona que atraviese. La planta será como la de cualquier obra, en recta o en curva, con curvas circulares o clotoides, cumpliendo con las especificaciones generales de un proyecto. • PERFIL LONGITUDINAL: la rasante será función de los parámetros definitorios del tipo de obra, ya sea la velocidad específica de un vial o ferrocarril, la pendiente máxima de un canal, así como también influirán en su diseño las condiciones de drenaje. • SECCIÓN: inevitablemente dependerá del estudio geológico del terreno en su aspecto constructivo y de las características de la obra en cuestión, variable según sea una carretera, un ferrocarril, un canal u otras.

5. PLANOS DE PROYECTO DEL REPLANTEO DE UN TÚNEL Las clases de planos que definen el proyecto de la construcción de un túnel, desde el punto de vista topográfico son básicamente la planta general sobre el topógrafo base, el perfil longitudinal y las secciones transversales. • PLANTA GENERAL SOBRE EL TOPÓGRAFO BASE El proyecto de la planta general de un túnel se efectúa como cualquier otro tipo de obra de ingeniería, ya sea su diseño en recta, en curva o por combinación de ambos tipos de alineaciones. • PERFIL LONGITUDINAL El proyecto de la rasante de un túnel habrá de relacionarse con el perfil por montera, es decir, con el longitudinal del terreno a lo largo de todo su trazado.

6. INSTRUMENTACIÓN ESPECÍFICA DEL REPLANTEO SISTEMAS DE ILUMINACIÓN • DE LOS INSTRUMENTOS Todos los instrumentos utilizados en la topografía subterránea tienen previsto el problema de iluminación de sus elementos de lectura a causa de las nulas o deficientes condiciones de iluminación de una galería subterránea, y por ello van provistos de sistemas de iluminación adaptables a los mismos a fin de contrarrestar este problema

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• DE LAS GALERÍAS Para poder trabajar dentro de una galería subterránea no siempre será suficiente la iluminación instalada en la misma, ya que ésta generalmente es deficiente y no adecuada para realizar las observaciones. Es necesario disponer de focos o sistemas reiluminación fijos o móviles que iluminen las señales de puntería. En muchas ocasiones es factible resolver este problema por medio de linternas portátiles cuyos haces de luz dirigidos al punto a observar o replantear, permiten efectuar las observación con total nitidez. 7. TEODOLITO DE MINA Se pueden conseguir en el mercado una serie de goniómetros o teodolitos de mina específicamente diseñados para trabajar dentro de galerías subterráneas, cuyo uso queda restringido a tareas de topografía minera, ya que todas las tareas de observación y replanteo en un túnel pueden ser efectuadas con instrumental de tipo convencional, adecuadamente estacionado e iluminado. El problema que se presenta al observar dentro de una galería subterránea consiste en el estacionamiento del instrumental, que no puede en muchos casos efectuarse sobre puntos situados sobre el eje en rasante de excavación, bien sea debido a la estrechez de las galerías, o a la imposibilidad de estacionar en un eje cubierto por una vía sobre la que circulan vagonetas o sobre el que se mueven palas cargadoras u otro tipo de maquinaria para la saca del escombro. De esta manera habrá que señalar los puntos y estacionar de forma atípica, ya sea sobre viguetas adosadas a los hastiales de la excavación, sobre barras elevadas o colgando de la bóveda. 8. TEODOLITO GIROSCÓPICO El problema más complicado que se presenta a la hora de trabajar dentro de una galería subterránea es el de la orientación de los trabajos con relación a un sistema de referencia, ya que habrá de transmitirse la orientación desde el exterior a cielo abierto al fondo de un pozo o a una galería. Con independencia de los métodos o sistemas de transmisión de esta orientación con instrumental convencional, se tiene la posibilidad de utilizar el denominado “Teodolito Giroscópico” o “Inercial” que permite de forma directa y puntual la determinación de la dirección del Note Geográfico con un grado de precisión suficiente para la mayoría de los trabajos. El principio físico del giróscopo es simple, pero conviene hacer una aclaración. Si se relaciona de forma solidaria un giróscopo suspendido de un hilo vertical situado dentro de una carcasa, con un teodolito, a ser posible de 1cc de apreciación, por medio de los tornillos de coincidencia de éste, siempre se podrá mover la posición del eje de giro del giróscopo, hasta que éste coincida con el centro de una escala de medición, aunque esto no será exactamente posible debido al movimiento de precisión del eje de giróscopo. No obstante, en la escala sí se podrán observar las desviaciones o elongaciones del eje de giro del giróscopo con respecto al norte verdadero o Norte Geográfico. 9. ESTACIONAMIENTOS ESPECIALES Por las mismas razones que obligaban a la utilización de los teodolitos de mina estacionables de forma atípica, es necesario en ocasiones efectuar el estacionamiento del instrumental sobre aparejos diversos que permiten, no sólo situar el aparato de forma atípica, sino también

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y en su caso, posicionarlo con unas determinadas coordenadas espaciales. Para ello existen en el mercado una serie de aparejos tales como consolas y plataformas de ajuste, mesas de centraje y regletas de centraje o ajuste. 10. EMISORES “LÁSER” Cuando la excavación se realiza por medio de un escudo de perforación continua, que se denomina “topo”, surge el problema del direccionamiento de dicha maquinaria para que su frente de perforación describa en el espacio la trayectoria de proyecto, tanto en planta como en alzado. Para poder efectuar tal direccionamiento es para lo que se emplean los emisores láser. La palabra “láser” responde a las siglas “Light Amplifier by Stimulated Emision of Radiation”, que traducido al castellano sería “Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Podría definirse como una emisión de intensos rayos de luz monocromática y coherente que se comporta como la luz normal y es por lo tanto afectado por las condiciones atmosféricas siendo estas alteraciones mínimas cuando se trabaja a distancias inferiores a los 400 m., tope máximo aconsejable en sus aplicaciones como rayo visible con luz diurna, siendo esta distancia ampliable en la oscuridad. 11. PLOMADAS “CENIT-NADIR” Para efectuar la transferencia de puntos a lo largo de una visual vertical cenit-nadir, tarea por otraparte bastante normal en el replanteo de plantas de edificios, de pozos y de galerías subterráneas, se tienen varias opciones a la hora de elegir el instrumental. 12. PLOMADAS DE GRAVEDAD (MECÁNICAS) El más grave problema que presenta la plomada convencional de gravedad es la oscilación pendular de la misma, tanto mayor cuanto mayor sea la longitud del hilo, cuerda o cable de suspensión. La única forma de paliar en parte el problema consiste en aumentar el peso y amortiguar oscilaciones. Para amortiguar las oscilaciones, se sigue utilizando el viejo sistema de introducir la plomada en una cubeta con aceite mineral. Sin embargo, cualquier corriente de aire por suave que ésta sea va a dar lugar a nuevas oscilaciones o vibraciones del hilo de suspensión por delgado que éste sea. Para trabajos de baja o media precisión sigue siendo el método más barato y utilizado. 13. PLOMADAS ÓPTICAS Cuando la operación de transferencia hacia el cenit o hacia el nadir, esto es hacia arriba o hacia abajo, requiere de alta o muy alta precisión, se está en la obligación de utilizar medios más exactos que el anteriormente reseñado. Conviene aclarar que la plomada óptica de que está dotado un taquímetro standard para su puesta en estación sobre trípode no tiene una precisión superior a 1/5.000, que es suficiente para las alturas normales de estacionamiento, pero harto insuficiente para mayores distancias, según el caso. Además no permite visuales cenitales.

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14. MIRAS ESPECIALES “INDUSTRIALES” Al efectuar nivelaciones en una galería subterránea, debido a las conocidas causas de trabajar en espacios angostos de poco gálibo, puede ser necesaria la utilización de este tipo de miras del tipo invar. Cuando las características del trabajo así lo requieran y que siendo de menor longitud de las convencionales, van provistas de regatones para su estacionamiento sobrediferentes tipos de señales. 15. PERFILÓMETROS Se designan con este nombre a una serie de instrumentos especialmente diseñados para la obtención de los perfiles transversales en una galería de túnel, ya sea ésta revestida o escavada en roca. Este tipo de instrumental, por si mismo o combinado con aparatos convencionales, permiten efectuar rápidos y precisos levantamientos de las secciones transversales de excavación, a fin de comprobar ésta o de evaluar el volumen de tierras excavado. 16. INSTRUMENTACIÓN ESPECIAL PARA EL CONTROL DE DEFORMACIONES A fin de poder determinar con un alto grado de fiabilidad las posibles deformaciones que se pueden producir en una galería de túnel, es necesario disponer de instrumentación específica que permita determinar de forma precisa y segura estas deformaciones. Para ello es necesaria la utilización de una instrumentación específica que permita medir distancias o variaciones de distancia entre puntos de control. Con una precisión tal que no dé lugar a dudas respecto a saber si esas diferencias de valores, posibles deformaciones, son tales, o simplemente son consecuencia de los lógicos errores de observación. Esta instrumentación para medida de distancias o diferencias de distancias se basa en los hilos invar. 17. SEÑALIZACIÓN DE PUNTOS Uno de los problemas que se presentan a la hora de replantear un túnel es el de la materialización y señalización de los puntos de apoyo, de los puntos concretos de obra, de las referencias de éstos y de los posibles puntos de control. En trabajos de cierta entidad es necesaria la implantación de hitos armados de hormigón con adecuados sistemas de estacionamiento que permitan unas observaciones muy precisas.

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18. MATERIAL VARIO DIVERSO Además de todo el instrumental topográfico convencional de todos conocido y del instrumental específico anteriormente comentado, para poder efectuar los trabajos de proyecto, observación, replanteo, construcción, evaluación de obra y posible control de deformaciones, es necesario utilizar una amplia gama de material diverso, en muchos casos no estrictamente topográfico, que permita realizar determinado tipo de tareas. Dentro de este apartado de material diverso, podrían incluirse los siguientes: • TELÉMETROS Un apunte que no debiera pasarse por alto, debido a la gran repercusión que su empleo tendría para los trabajos topográficos actuales, es sin duda que los telémetros ópticos debido a su baja precisión hoy en día están prácticamente en desuso. • REGLAS DE MEDICIÓN EXPEDITA Existen en el mercado reglas digitales de configuración telescópica retráctil de hasta 8 ó 10 m. de longitud que permiten medir con aceptable precisión longitudes entre elementos de obra a fin de controles someros, cierto tipo de levantamientos y obtención de perfiles. • PRISMAS PENTAGONALES El principio del prisma pentagonal, que permite la obtención de visuales perpendiculares, es de amplia utilización en el instrumental auxiliar en función de la determinación por este sistema de planos perpendiculares a una cierta visual mediante el giro completo de uno de estos prismas.

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• MEDIOS AUXILIARES Para poder señalizar, referenciar, observar, acceder a las señales cuando éstas se encuentran en la bóveda, y otra serie de tareas, es necesario utilizar una serie de materiales o herramientas que permitan ejecutar estos trabajos. Así pues y en su caso se pueden relacionar una larga serie dentro de la cual se podrían consignar las siguientes: - Elementos para escritura y marcado por fricción en las señales. - Elementos varios de señalización. - Tablas, tablones, listones. - Punteros de acero. - Granetes. - Cinceles. - Macetas, mazos, y clavos de acero. - Yeso, cementos, morteros, hormigones, para el fijado y protección de las señales. - Sistemas de iluminación de galería, como pueden ser focos transportables. - Radioteléfonos. - Torno, para el descendimiento de plomadas o cintas metálicas al fondo de pozos. - Maquinaria de obras públicas, tales como martillos perforadores a fin de incrustar clavos y palas cargadoras para acceder a las señales en bóveda. 19. TOPOGRAFÍA DE APOYO Al igual que cualquier obra de ingeniería, las tareas de proyecto, replanteo, construcción, medición de obra, y posible control posterior de deformaciones, de túnel, precisa de la implantación y observación de una serie de puntos de diverso tipo, que junto con el plano topográfico base, donde se ha proyectado dicho túnel, se va a denominar de forma genérica “Topografía de Apoyo”. Y ésta, se apoya tanto en la topografía externa, realizada a cielo abierto y en la topografía subterránea, realizada bajo tierra. La topografía a cielo abierto no difiere de la que se utiliza en cualquier tipo de obra, sin embargo, la topografía subterránea, o las labores del enlace de ésta con el exterior, sí requiere de métodos y técnicas de trabajo específicas que difieren bastante de los sistemas normalmente utilizados a cielo abierto. 20. TOPOGRAFÍA DE APOYO EXTERNA La topografía de apoyo externa, generalmente consta de los siguientes apartados: • Plano topográfico base. • Red de enlace entre bocas: triangulación, poligonal de precisión y nivelación.

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• Paso de línea por montera (no siempre realizable). • Perfil longitudinal por montera (no siempre realizable). 21. PLANO TOPOGRÁFICO BASE Para poder proyectar un túnel tanto en su diseño planimétrico como altimétrico, ha de disponerse de un plano topográfico que permita estudiar y determinar las características del mismo. Sobre este plano, el ingeniero proyectista podrá definir en una primera aproximación la planta y rasante del túnel. Pero para efectuar este anteproyecto habrá de conocer las características geológicas de la zona por donde va a discurrir dicho túnel. Para ello y con independencia de la información geológica general de la zona que un mapa de este tipo pueda proporcionarle, es muy posible que tenga que efectuar sondeos adecuadamente situados que certifiquen y amplíen esa información previa. 22. RED DE ENLACE ENTRE BOCAS La excavación de un túnel es una tarea que sólo puede circunscribirse a la sección de ataque de dicha excavación. Con independencia del método de excavación utilizado, dichas tareas son lentas y por ello se induce que lógicamente para conseguir mayor velocidad en ellas es necesario duplicar o multiplicar estos frentes de excavación. Generalmente la excavación de un túnel se efectúa desde las dos bocas a la vez a fin de duplicar la velocidad de excavación. Lógicamente, ambos frentes de excavación han de encontrarse y coincidir en un determinado punto o perfil del túnel. Para que esto suceda con una cierta exactitud y no se produzcan errores es necesario que la labor de replanteo sea precisa y exacta. Por otra parte, para conseguir lo anteriormente expresado, se induce que es absolutamente necesario que los puntos definitorios de las dos bocas de excavación estén perfectamente enlazados, tanto planimétrica como asimétricamente. Esta red de enlace entre bocas ha de permitir conocer con toda exactitud las coordenadas espaciales X, Y, Z de los puntos iníciales de la excavación, así como los acimuts de las alineaciones rectas de entrada y salida. Para ello es necesario relacionarlos, lo cual se consigue por medio de: • Triangulación. • Poligonales de precisión. • Nivelación por alturas. Perfil longitudinal por montera En ocasiones, en túneles de gran longitud, o cuando se precisa de una mayor velocidad de perforación, es necesario, tal y como se ha comentado en un apartado anterior, duplicar o multiplicar los frentes de excavación y para ello es preciso la excavación de pozos o rampas de acceso a la rasante de excavación desde uno o varios puntos de la superficie. Para ello es necesario conocer el perfil del terreno en superficie, o lo que es lo m ismo, el perfil de montera, definiendo como montera la intersección del plano vertical de la planta del túnel con el terreno. Cuando el túnel es en recta, el mismo paso de línea por montera delimitará ese perfil

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por montera. Cuando no sea así, es necesario replanear el túnel o parte del mismo a cielo abierto a fin de proyectar estos pozos o rampas. 23. CÁLCULO DEL REPLANTEO DE UN TÚNEL El diseño de la planta y el alzado de un túnel, con independencia del técnico que la efectúe, siempre en función de una serie de condicionamientos de todo tipo, se realiza siguiendo los mismos procesos que si la obra fuese a cielo abierto. Pero el gran problema que presentan este tipo de obras es que su construcción ha de realizarse bajo tierra. En superficie, a cielo abierto, es más fácil controlar el replanteo de una obra, y se pueden efectuar rectificaciones, pero en una galería subterránea es muchísimo más difícil, de tal manera que un error en el replanteo puede en su caso no se detectado hasta el momento del cale, cuando la rectificación de un posible error ya no puede efectuarse. Por otra parte, se está en la obligación de trabajar en condiciones difíciles ya sea por la angostura de las galerías, por el polvo, la humedad, el agua, y otros factores que obligarán a estacionar de forma atípica y a efectuar el replanteo combinando distintos métodos o sistemas, que permitan obtener un cierto índice de fiabilidad y precisión en los trabajos.

24. BIBLIOGRAFÍA “CURSO BÁSICO DE REPLANTEO DE TÚNELES”

COLEGIO OFICIAL DE INGENIEROS TÉCNICOS EN TOPOGRAFÍA (Madrid-Castilla la Mancha). Antonio Santos Mora, Ingeniero Técnico en Topografía, Profesor Titular de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica en Topografía “CATÁLOGO DE PRODUCTOS BOSCH”

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN INTELIGENTES Bosch, Ideas that Work “REVISTA DE TOPOGRAFÍA LEICA”

APUNTES DE LA CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL BASE DE SAN GOTARDO

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