Los túneles se excavan en tipos de materiales que varían desde arcilla blanda hasta roca dura. El método de construcción del túnel depende de factores tales como las condiciones del terreno, las condiciones del agua subterránea, la longitud y el diámetro del túnel, la profundidad del túnel, la logística de soporte de la excavación del túnel, el uso final y la forma del túnel. y una adecuada gestión de riesgos. La construcción de túneles es un subconjunto de la construcción subterránea .
Hay tres tipos básicos de construcción de túneles de uso común:
En 2017, las experiencias muestran que los túneles tuneladores del metro urbano cuestan aproximadamente 500 millones de euros por kilómetro. En Suiza, un kilómetro de túnel de autopista se calculaba en 300 millones de francos suizos, en aquella época 200 millones de euros. El túnel submarino entre Dinamarca y Alemania está previsto por 425 millones por kilómetro en 2015. [1] [2] [3]
El corte y cubierta es un método simple de construcción para túneles poco profundos donde se excava una zanja y se cubre con un sistema de soporte elevado lo suficientemente fuerte como para soportar la carga de lo que se va a construir sobre el túnel. Se encuentran disponibles dos formas básicas de túneles de corte y cubierta:
Los túneles poco profundos suelen ser del tipo de corte y cubierta (si están bajo el agua, del tipo de tubo sumergido), mientras que los túneles profundos se excavan, a menudo utilizando un escudo de túnel . Para niveles intermedios, ambos métodos son posibles.
Las grandes cajas precortadas se utilizan a menudo en las estaciones de metro subterráneas , como la estación de metro Canary Wharf en Londres. Esta forma de construcción generalmente tiene dos niveles, lo que permite arreglos económicos para la sala de boletos, andenes de estaciones, acceso de pasajeros y salida de emergencia, ventilación y control de humo, salas de personal y salas de equipos. El interior de la estación Canary Wharf se ha comparado con una catedral subterránea, debido al gran tamaño de la excavación. Esto contrasta con muchas estaciones tradicionales del metro de Londres , donde se utilizaban túneles perforados para las estaciones y el acceso de pasajeros. Sin embargo, las partes originales de la red de metro de Londres, los ferrocarriles metropolitanos y distritales, se construyeron mediante sistema cut-and-cover. Estas líneas eran anteriores a la tracción eléctrica y la proximidad a la superficie servía para ventilar los inevitables humos y vapores.
Una desventaja importante del corte y cubierta es la perturbación generalizada que se genera a nivel de la superficie durante la construcción. Esto, y la disponibilidad de tracción eléctrica, provocaron que el metro de Londres cambiara a túneles perforados a un nivel más profundo hacia finales del siglo XIX.
Se utilizan máquinas perforadoras de túneles y sistemas de respaldo asociados para automatizar en gran medida todo el proceso de excavación de túneles, lo que reduce los costos de excavación. En determinadas aplicaciones predominantemente urbanas, la perforación de túneles se considera una alternativa rápida y rentable al tendido de vías y carreteras. Se elimina la costosa compra forzosa de edificios y terrenos, con largos trámites de planificación. Las desventajas de las tuneladoras surgen de su tamaño generalmente grande: la dificultad de transportar la tuneladora grande al sitio de construcción del túnel o (alternativamente) el alto costo de ensamblar la tuneladora en el sitio, a menudo dentro de los límites del túnel que se está construyendo.
Existe una variedad de diseños de TBM que pueden operar en una variedad de condiciones, desde roca dura hasta terrenos blandos con agua. Algunos tipos de tuneladoras, las de lodo de bentonita y las máquinas equilibradoras de presión de tierra, tienen compartimentos presurizados en el extremo frontal, lo que permite su uso en condiciones difíciles debajo del nivel freático . Esto presuriza el suelo delante del cabezal cortador de la TBM para equilibrar la presión del agua. Los operadores trabajan con presión de aire normal detrás del compartimiento presurizado, pero ocasionalmente pueden tener que ingresar a ese compartimiento para renovar o reparar las cortadoras. Esto requiere precauciones especiales, como el tratamiento local del terreno o la parada de la tuneladora en un lugar libre de agua. A pesar de estas dificultades, ahora se prefieren las tuneladoras al antiguo método de excavación de túneles en aire comprimido, con una esclusa de aire /cámara de descompresión algo alejada de la tuneladora, lo que requería que los operadores trabajaran a alta presión y pasar por procedimientos de descompresión al final de su trabajo. turnos, muy parecido a los buzos de aguas profundas .
En febrero de 2010, Aker Wirth entregó una tuneladora a Suiza para la ampliación de las centrales eléctricas de Linth-Limmern, situadas al sur de Linthal , en el cantón de Glaris . El pozo tiene un diámetro de 8,03 metros (26,3 pies). [4] Las cuatro tuneladoras utilizadas para excavar el túnel de base de San Gotardo , de 57 kilómetros (35 millas) , en Suiza , tenían un diámetro de aproximadamente 9 metros (30 pies). Se construyó una tuneladora más grande para perforar el túnel Green Heart (en holandés: Tunnel Groene Hart) como parte del HSL-Zuid en los Países Bajos, con un diámetro de 14,87 metros (48,8 pies). [5] Esta a su vez fue sustituida por la circunvalación M30 de Madrid , España , y los túneles de Chong Ming en Shanghai , China . Todas estas máquinas fueron construidas al menos en parte por Herrenknecht . En enero de 2023 [update], la tuneladora más grande por diámetro de cabeza jamás construida fue la tuneladora Tuen Mun-Chek Lap Kok , una máquina de 17,6 metros (58 pies) de diámetro construida por Herrenknecht , para el enlace Tuen Mun-Chek Lap Kok en Hong Kong . [6]
El pateo de arcilla es un método especializado desarrollado en el Reino Unido para cavar túneles en estructuras de suelo resistentes a base de arcilla. A diferencia de los métodos manuales anteriores de uso de azadones que dependían de que la estructura del suelo fuera dura, el pateo de arcilla era relativamente silencioso y, por lo tanto, no dañaba las estructuras blandas a base de arcilla. El pateador de arcilla se coloca sobre una tabla en un ángulo de 45 grados con respecto a la superficie de trabajo e inserta con los pies una herramienta con un extremo redondeado en forma de copa. Girando la herramienta manualmente, el pateador extrae una sección de tierra, que luego se coloca sobre el extracto residual.
Utilizado en la ingeniería civil victoriana , el método encontró aceptación en la renovación de los antiguos sistemas de alcantarillado de Gran Bretaña , al no tener que eliminar todas las propiedades o infraestructura para crear un pequeño sistema de túneles. Durante la Primera Guerra Mundial , el sistema fue utilizado por las compañías de túneles Royal Engineer para colocar minas debajo de las líneas del Imperio Alemán . El método era prácticamente silencioso y, por lo tanto, no era susceptible a métodos de detección de escucha. [7]
A veces es necesario un pozo de acceso temporal durante la excavación de un túnel. Suelen ser circulares y bajan recto hasta llegar al nivel en el que se va a construir el túnel. Un pozo normalmente tiene paredes de concreto y generalmente se construye para que sea permanente. Una vez que se completan los pozos de acceso, las tuneladoras se bajan al fondo y se puede comenzar la excavación. Los pozos son la entrada principal de entrada y salida del túnel hasta que se complete el proyecto. Si un túnel va a ser largo, se pueden perforar múltiples pozos en varios lugares para que la entrada al túnel esté más cerca del área no excavada. [8]
Una vez que se completa la construcción, los pozos de acceso a la construcción a menudo se usan como pozos de ventilación y también pueden usarse como salidas de emergencia.
El Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM) se desarrolló en la década de 1960 y es el más conocido de una serie de prácticas de ingeniería que utilizan mediciones calculadas y empíricas para proporcionar un soporte seguro al revestimiento del túnel. La idea principal de este método es utilizar la tensión geológica del macizo rocoso circundante para estabilizar el túnel, permitiendo una relajación medida y una reasignación de tensiones en la roca circundante para evitar que se impongan cargas completas sobre los soportes. A partir de mediciones geotécnicas se calcula una sección transversal óptima. La excavación está protegida por una capa de hormigón proyectado, comúnmente denominado hormigón proyectado . Otras medidas de soporte pueden incluir arcos de acero, pernos para roca y malla. Los avances tecnológicos en la tecnología del hormigón proyectado han dado como resultado la adición de fibras de acero y polipropileno a la mezcla de hormigón para mejorar la resistencia del revestimiento. Esto crea un anillo de carga natural, que minimiza la deformación de la roca .
Gracias a un control especial , el método NATM es flexible incluso en caso de cambios sorprendentes en la consistencia geomecánica de la roca durante los trabajos de excavación. Las propiedades de la roca medidas conducen a herramientas adecuadas para el refuerzo de túneles . En las últimas décadas también se hicieron habituales las excavaciones en terrenos blandos de hasta 10 kilómetros (6,2 millas).
En el levantamiento de tuberías , se utilizan gatos hidráulicos para empujar tuberías especialmente fabricadas a través del suelo detrás de una tuneladora o un escudo. Este método se utiliza habitualmente para crear túneles bajo estructuras existentes, como carreteras o vías de ferrocarril. Los túneles construidos mediante hincado de tuberías suelen ser orificios de diámetro pequeño con un tamaño máximo de alrededor de 3,2 metros (10 pies).
El gato con caja es similar al gato con tubería, pero en lugar de tubos con gato, se utiliza un túnel en forma de caja. Las cajas con gato pueden tener una envergadura mucho mayor que un gato de tubería, y la luz de algunos gatos de caja supera los 20 metros (66 pies). Normalmente se utiliza un cabezal de corte en la parte delantera de la caja que se está elevando, y la eliminación de los desechos normalmente se realiza mediante una excavadora desde el interior de la caja. Los desarrollos recientes del Jacked Arch y Jacked deck han permitido instalar estructuras cada vez más grandes con gran precisión. El paso subterráneo de 126 m de largo y 20 m de luz libre debajo de las líneas ferroviarias de alta velocidad en Cliffsend en Kent, Reino Unido.
También hay varias aproximaciones a los túneles submarinos, siendo los dos más comunes los túneles perforados o los tubos sumergidos , ejemplos son el túnel Bjørvika y Marmaray . Los túneles flotantes sumergidos son un enfoque novedoso que se está considerando; sin embargo, hasta la fecha no se han construido túneles de este tipo.
Para reducir el impacto ambiental de las autopistas o ferrocarriles se utiliza un nuevo tipo de túneles: los túneles terrestres. No se trata de túneles subterráneos, sino que están construidos a nivel del suelo. El área urbana junto al túnel se puede elevar con terreno o edificios (por ejemplo, aparcamientos) para mejorar la integración del túnel en el área inmediata. Un buen ejemplo temprano de este tipo de túnel terrestre es el túnel de la autopista A2 en Leidsche Rijn, cerca de la ciudad holandesa de Utrecht. [9]
Durante la construcción de un túnel suele ser conveniente instalar una vía férrea temporal, particularmente para retirar los escombros excavados , a menudo de vía estrecha para que pueda ser de doble vía y permitir el funcionamiento de trenes vacíos y cargados al mismo tiempo. La vía temporal es reemplazada por la vía permanente al finalizar, explicando así el término " Perway ".
Los vehículos o el tráfico que utiliza un túnel pueden superarlo, siendo necesario sustituirlo o ampliarlo:
Un pozo de construcción abierto consta de un límite horizontal y vertical que mantiene el agua subterránea y el suelo fuera del pozo. Existen varias alternativas y combinaciones potenciales para los límites de los fosos de construcción (horizontales y verticales). La diferencia más importante con el corte y cubierta es que el foso abierto del edificio se silencia después de la construcción del túnel; no se coloca techo. [ cita necesaria ]
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