Cap 10 Boquillas

En el estudio de las boquillas de un túnel existen dos aspectos que deben ser considerados. Por un lado, durante la ejecución de la obra, las bocas están siempre en el camino crítico, ya que son el paso previo necesario para comenzar la excavación del túnel. Una correcta y rápida ejecución de todas las labores de emboquille, permite comenzar el túnel en un plazo corto y con seguridad. En este sentido, los aspectos que suelen ser más problemáticos son la estabilidad de los taludes frontal y laterales y la estabilidad de los primeros metros del túnel. Estos son precisamente los aspectos más delicados tanto del proyecto como de la ejecución de un emboquille de un túnel de montaña. Por otra parte, ya en la fase de explotación, la boca del túnel es realmente la única parte de éste que es visible a lo lejos desde el exterior, por lo que es conveniente procurar que estéticamente sea agradable y que encaje dentro del entorno general, tanto en el paisaje, como el resto de la carretera. Con este objetivo, en las boquillas de los túneles de montaña suelen construirse unas estructuras, falsos túneles, que sirven de prolongación de éstos hacia el exterior, con una finalidad principalmente estética aunque a veces funcional, cuando por ejemplo el talud frontal del túnel resulta inestable y pudiera caer material a la plataforma de la carretera. Aparte de estos dos aspectos, existe otro que mezcla componentes económicos, técnicos y también estéticos, durante la fase de proyecto del túnel. Este aspecto es la posición que ocupa la boquilla del túnel a lo largo del eje del trazado, y en función de ella, la longitud mayor o menor del túnel

Como ya se ha indicado anteriormente, dentro de este apartado existen dos problemas a resolver: la estabilidad de los taludes del desmonte de emboquille, y la estabilidad de los primeros metros de la excavación del propio túnel. A continuación se analiza cada uno de ellos por separado, aunque los problemas de estabilidad en uno de ellos pueden fácilmente transmitirse al otro. f s - r ~ ~ l i i iD;EdLOS ~ ~ TALUDES El tema de la estabilidad de taludes de desmontes de carretera es un tema muy amplio y que está suficientemente desarrollado en la literatura geotécnica actual. Es por otra parte un tema que se sale de los límites que abarca el presente manual, por lo que únicamente se van a efectuar unas consideraciones de carácter general. Una visión más amplia puede encontrarse en la bibliografía citada al final del capítulo. La tipología de los deslizamientos o inestabilidades más habituales en los taludes artificiales, se corresponde con los fenómenos descritos a continuación, que se han resumido gráficamente en la figura 10.1

2E5lREi\!D!i\,~\iiiEF\1iOS.- El desprendimiento consiste en la caída de una masa de roca que se separa naturalmente del resto del macizo rocoso y cae libremente por gravedad. Generalmente se da en taludes naturales más que en taludes artificiales, y

a) Desprendimiento

Tipolo& de inestabilidad de taludes

b) Deslizamientos planos

normalmente en terrenos rocosos. Es un fenómeno típico de taludes con inclinaciones muy fuertes o verticales en rocas diaclasadas.

D F S L i z b , \ t i 1 E I q i 0 5 p L i - , 1 \ ~ 3 5 . - Son aquéllos en los que una masa de suelo o roca se desliza paralelamente a sí misma sobre un cierto plano inclinado hacia el exterior del talud. En el caso de terrenos rocosos, este plano es una disconc) Deslizamientos rotacionales tinuidad natural del macizo rocoso (diaclasa o fractura), mientras que, en el caso de suelos, suele tratarse de un contacto con otro material más resistente. En taludes en roca normalmente se da el caso de que e) Vuelco de estratos la masa que desliza lo hace a favor de dos planos que se intersectan ó a favor de la arista que forman, denominándose cuña al elemento inestable de roca originado. En otras ocasiones se trata de un único plano de deslizamiento, de dirección paralela a la del talud. A esta tipología se la conoce como deslizamiento en bloque. i;,StiZp,pliEi\jT65 ' ? i ~ ~ o ~ i ~ ~ :- / Son i i ; rtípicos de taludes en suelos o en rocas muy alteradas. La masa que desliza lo hace sobre una superficie cóncava, con forma de cuchara, que en sección transversal es una línea circular. El pie del círculo de rotura puede situarse en el propio talud o ya en la plataforma, dependiendo de las propiedades del terreno, altura del talud, presencia de agua, etc. ' d ~ E l C 3 . -El

fenómeno del vuelco de estratos o toppling se produce por rotación de bloques de roca, individualizados a favor de la estratificación, en torno a su base, que caen posteriormente hacia la plataforma. Se produce en taludes en roca cuando la estratificación tiene una dirección paralela al talud, pero buzando en sentido contrario. Existen varias tipologías de vuelco: vuelco por flexión, vuelco de bloques, vuelco mixto, etc, en función de la geometría concreta del deslizamiento. Los métodos de cálculo de cada tipo de rotura están suficientemente desarrollados en la bibliografía que se cita, existiendo además programas comerciales de ordenador que permiten un análisis rápido de la estabilidad del talud, tanto para suelos como para rocas. En este sentido, los deslizamientos más complejos de analizar son los de tipo circular, por lo que generalmente se utilizan métodos de cálculo simplificados, por ejemplo, el Método de Bishop. Por último, citaremos los medios más usualmente utilizados para la corrección de las inestabilidades de los taludes teniendo en cuenta el caso particular que nos ocupa: los emboquilles de los túneles. En la figura 10.2 se muestran algunos de estos medios. Si un talud es inestable, la solución más económica normalmente es variar sus características geométricas: retaluzado para hacerlo más tendido, colocación de bermas intermedias, descabezado, colocación de escolleras o tacones de pie, ... j\:1C>BiFICACIQ!\I, CE LA Y E ~ M ~ - ; I / $ , . -

Dado que la mayoría de las inestabilidades se ven muy favorecidas por la presencia de agua, la utilización de un drenaje para eliminar ésta de la zona de influencia del talud suele ser muy beneficiosa. Por otra parte, al disminuir la humedad del terreno, mejoran también sus características resistentes, especialmente la cohesión. Entre las medidas de drenaje habituales están los drenes horizontales, las cunetas perimetrales, los drenes verticales, etc. DRENA,!E.-

b) Bermas intermedias

a) Retaluzado 1

C)

d) Escollera de pie

Descabezado

Cuneta ~erimetral

e) Drenaje

l

f ) Anclajes

Malla metalica

,

estabilización de

g) hiluro de gravedad

I

1

LOSanclajes proporcionan una fuerza estabilizadora sobre la masa deslizante que evitan que dicho deslizamiento pueda producirse. En rocas resistentes los anclajes suelen ser muy beneficiosos por sí solos, mientras que en suelos o rocas blandas es necesario asociarlos a muros o tacones de hormigón, ya que, de otro modo, la cabeza del anclaje se hunde en el terreno y éste pierde su fuerza. Cuando se requieran fuerzas de anclaje no muy fuertes, pueden sustituirse los anclajes propiamente dichos por bulones pasivos similares a los empleados en el sostenimiento del túnel. ,AIVCLAJES.-

-Ays

pawos

11) Tratamientos superficiales

WJPU:.Los muros pueden estabilizar un talud mediante varios procedimientos. Por un lado están los muros de gravedad, que resisten el empuje de las tierras por su propio peso. Otra posibilidad la constituyen los muros anclados, tal y como se ha comentado más arriba, en la que ambos elementos (muro y anclajes) trabajan conjuntamente. Otro sistema es la tierra armada, que se puede utilizar cuando el material del trasdós del muro es un relleno con tierras. Este sistema contiene el material mediante unas placas de hormigón que están ancladas a unas bandas que se colocan dentro del relleno y que se adhieren a éste simplemente por rozamiento. TRATJ41LillENTUS ~ U P E I " \ F ! C ~ A ~ - , L Se E ~ . -utilizan

en el caso de taludes estables pero con posibilidad de pequeños desprendimientos de bloques en la superficie del mismo. Se suele utilizar hormigón proyectado y mallazo, bien conjuntamente, o bien independientemente. En taludes en suelos se puede recurrir a la siembra de vegetación en su superficie, que lo protege muy eficazmente de la erosión.

complicaciones adicionales sobre la problemática general de la excavación de una obra subterránea. De hecho, normalmente se considera que los 10 ó 15 metros iniciales del túnel (aproximadamente un diámetro), deben recibir un tratamiento distinto y más reforzado que el resto, en relación con la excavación y el sostenimiento. En efecto, en las boquillas del túnel se dan las siguientes circunstancias que complican su ejecución:

Y

Al tratarse de una zona más próxima a la superficie, la roca se encuentra más alterada y decomprimida que en el interior. Generalmente, para una litología concreta dada, la roca es tanto peor cuanto más superficial se encuentra. En las boquillas se tendrá pues una calidad del terreno inferior, por lo que necesitará un sostenimiento más potente. Las inestabilidades de bóveda, hastiales o frente del túnel, pueden alcanzar la superficie del terreno, al encontrarse ésta muy próxima. Es fácil pues que cualquier tipo de desprendimiento, que en la zona central del túnel tendría una importancia pequeña, se transmita hasta la superficie provocando el colapso del túnel o daños en cualquier construcción cercana: edificios, carreteras, líneas eléctricas, ferrocarriles,.. . Por último, en la zona de las boquillas se entrelazan las inestabilidades propias del túnel con las del talud frontal del desmonte. La excavación del túnel puede afectar negativamente y desestabilizar el talud ó, viceversa, una posible inestabilidad del talud puede provocar desprendimientos o incluso el derrumbe total del túnel.

Debido a todas estas causas, en los emboquilles de los túneles es habitual emplear una serie de medidas complementarias de sostenimientos especiales, para asegurar esta zona más delicada. En la figura 10.3 se incluyen unos esquemas de estas medidas, que se describen a continuación: P A R A G U A S ZUF\ICS(ADO.-Con objeto de proteger la clave de los primeros metros del túnel frente a la posibilidad de desprendimientos, es conveniente siempre colocar un paraguas en el emboquille. Según la calidad de la roca, el paraguas podrá ser más o menos pesado y largo: de tubos o de bulones. Si además la roca se encuentra muy fracturada o alterada, y especialmente cuando la a) Paraguas zunchado excavación se lleva a cabo mediante perforación y voladura, suele ser muy beneficioso la ejecución de un zuncho de hormigón armado que recoja todos los elementos del paraguas, permitiendo además que b) Corona de bulones éstos puedan ir tensados.

Para estabilizar la zona de talud frontal más próxima al túnel se emplea una corona o doble corona de bulones en torno al túnel, a una distancia de éste de 1 ó 2 metros. La corona de bulones ejerce un efecto de cosido de la roca que evita la producción de cuñas entre el talud, el propio túnel, y las familias de diaclasas que tenga el macizo rocoso. COROI\?A DE &ULOi\IES.-

c) Sostenimiento reforzado

Medidas especiales de sostenimiento en el emboquille

Bulón

sosrEr\ill\nlmrro REFORZADO.-Dado que en el emboquille la roca suele ser de peor calidad que en el interior del túnel, y como complemento a las otras medidas, resulta conveniente emplear en esta zona la tipología de sostenimiento más fuerte de las que estén descritas en el Proyecto, o incluso diseñar un tipo de sostenimiento especial para el emboquille. Generalmente se emplean cerchas y espesores de hormigón proyectado de hasta 15-20 centímetros. LONGITUD DE A\IANCE.- Otra medida recomendable es reducir la longitud de avance a 1.O ó 1.5 metros e incluso realizar la excavación en fases. De este modo se reduce la longitud de túnel sin sostener, a la vez que la menor longitud de las voladuras obliga a emplear menos carga explosiva. En ocasiones se utiliza la solución de emplear excavación mecánica (rozadora ó martillo hidráulico de impacto) para los primeros metros de túnel en lugar de perforación y voladura.

La elección del punto concreto de emboquille del túnel corresponde a la fase de Proyecto, existiendo varios criterios que es necesario tener en cuenta para decidir su emplazamiento. En cada caso particular tendrán más peso algunos criterios que otros, por lo que no se pueden aquí dar reglas generales sobre este tema. Los principales criterios que hay que considerar son los de:

~s-ra~;~~r;arii.Es recomendable que un túnel tenga una cobertera mínima para poder excavarse sin riesgos. Normalmente se establece en un diámetro de roca sana como espesor de esta cobertera. Es posible iniciar la excavación de un túnel con coberteras de menor espesor (3-4 m.), siempre y cuando se haga en roca sana y se realice la excavación con precauciones y se adopten medidas de sostenimientos adicionales desde el exterior: paraguas pesado, zuncho, corona doble de bulones, etcétera. Como límite, aplicando tratamientos especiales tipo jet-grouting, sería posible emboquillar un túnel en suelos con muy escasa cobertera. Sin embargo, estas medidas encarecen notablemente la ejecución, por lo que no se adoptan salvo causas concretas que obliguen a ello. El tipo y calidad de la roca es, por supuesto, el criterio fundamental para decidir el emplazamiento y la cobertera mínima necesaria. ECQNOM~A Como .se ha señalado arriba, económicamente resulta más interesante emboquillar el túnel lo más adentro del macizo rocoso posible para no tener que emplear medidas de sostenimiento especiales. Esto es cierto hasta un Iímite, pues llega un momento que los taludes de las trincheras de acceso empiezan a ser de tal altura, que requieren medidas de estabilización costosas. Por otra parte, la excavación en desmonte siempre es mucho más económica que la excavación en túnel. Generalmente se adopta el criterio aproximado de que es más económico el desmonte que el túnel hasta unas alturas de talud de 30 metros, y que a partir de ahí resulta más económica la solución en túnel. ESTE~ICA.NO hay duda de que unos taludes de gran altura a la entrada de un túnel son estéticamente poco recomendables. Los taludes de altura moderada pueden ser fácilmente ocultados por árboles u otras plantaciones, fácilmente integrados en la boquilla arquitectónica ó incluso ser parcialmente rellenados con tierra vertida sobre el falso túnel. Atendiendo a criterios estéticos, deberemos tender a emboquillar con poca cobertera, de forma que luego podamos ocultar o disimular el desmonte.

En los túneles es generalmente necesario disponer de un tramo de falso túnel (llamado también boquilla) en sus extremos por las razones de índole funcional que se indican: evitar la caída de material desde el talud a la carretera, dar paso a un camino o carretera secundaria sobre la principal; o por razones de índole constructivo, como forma de rematar adecuadamente el revestimiento del túnel. Como la boquilla es la parte más visible del túnel, ya que el conductor se la encuentra de frente al circular por la carretera, y de hecho se mete dentro de ella para entrar al túnel, se la suele dar un tratamiento artístico o arquitectónico con el fin de hacerla más agradable. Lógicamente no se pueden dar reglas ni siquiera recomendaciones de cómo debe ser la boquilla de un túnel, ya que se trata de una decisión puramente de diseño artístico siempre y cuando se cumplan las necesidades funcionales de ésta. En este capítulo únicamente se van a exponer las distintas tipologías que se suelen emplear habitualmente, mostrando un esquema descriptivo de cada una. s ~ k !B O Q U I L L A . .En -

túneles antiguos en roca de buena calidad, e incluso en túneles de carreteras de segundo orden, es frecuente la solución de no colocar ninguna boquilla. Normalmente se corresponde con túneles sin revestir. Esta solución es lógicamente la más barata aunque también la menos segura, y generalmente poco adecuada en carreteras con un importante nivel de tráfico. (figura 10.4)

Boquilla: en pico deflauta

5OQL)ILLA E N PICO DE FLAUTA.- La solución de la boquilla en pico de flauta es la más empleada hoy en día por su relativa sencillez y por tratarse de la prolongación natural del revestimiento del túnel hacia el exterior de éste. Existen varias posibilidades que se muestran en las figuras adjuntas. La terminación normal, descendente, se integra habitualmente bien en el paisaje, y permite un relleno con tierras que disimula completamente el túnel y los desmontes frontal e incluso lateral. La terminación invertida da un aspecto más agresivo, como si el túnel estuviera clavado en la montaña, y puede quedar bien cuando el talud frontal es muy vertical. También se emplean boquillas aligeradas lateralmente, cuando su longitud es grande y existe uno de los taludes laterales únicamente o presenta problemas. Otra posibilidad para esta tipología se presenta cuando la traza de la carretera es oblicua con respecto a la ladera. (figura 10.5).

B O Q U I L L A S DE M A M P O S T E R ~ A . -Las

boquillas de mampostería solían emplearse hace años, pero hoy en día han quedado relegadas por su alto coste. Normalmente se construía un muro frontal en el que destacaba el arco que delimitaba el hueco del túnel, quedando resaltadas sus dovelas. Otras veces se ha llegado incluso a construir un castillete, con almenas, torres, etc. (figura 10.6) Esta modalidad se emplea habitualmente en grandes túneles de autopista, donde es necesario un edificio de control. Se construye el edificio en la misma boca del túnel y se entra a través de él. También se puede aprovechar para las chimeneas de aire viciado y para alojar la maquinaria de ventilación, en el caso de túneles largos con ventilación transversal. (figura 10.7)

BOQUILLA CON EDIFICIO DE ENTRADA.-

Boquilla con

Cuando 10s taludes del emboquille del túnel tiene una cierta inestabilidad es posible recurrir a un muro, que se puede integrar junto con la boquilla. Tenemos en estos casos muros frontales, laterales e incluso muros laterales con viseras o techo completo sobre la calzada. (figura 10.8)

BOQUILLAS CON SOLUCION PARA PROTECCIÓN DE TALUDES.-

Boquillas con protección de taludes

BOQUILLAS A R T ~ S T I C A S .Por último, se mostrará a título de ejemplo, otras soluciones más artísticas o de diseño, que se ha reproducido en la figura adjunta. (figura 10.9).

(1) E . Hoek & J.W. Bray: "Rock Slope Engineering", Institution of Mining and Metallurgy, 1981.

(2) Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE): "Manual de Ingeniería de Taludes", ITGE, 1987. (3) E. N. Bromhead: "The Stability of Slopes", Blackie Academic ¿3 Professional, 1986. (4) Centre dlEtudes des Tunnels (CETU): "Architecture des tetes de tunnels", CETU, 1991.

(5) J. A. Jiménez Salas et al: "Geotecnia y Cimientos, volúmenes II y III", Ed. Rueda, 1981. (6) Departamento de Transportes y Obras Públicas del Gobierno Vasco:" Recomendaciones prácticas para el diseño de taludes de desmonte", Servicio Central de Publicaciones del Gobierno Vasco, 1990.