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Fortificación Activa de Túneles
mediante Hormigón Proyectado Permanente

El hormigón proyectado se ha validado como una fortificación estructural y permanente. Las ventajas prácticas, como la amplia gama de soluciones estructurales/ físicas posibles, y el alto rendimiento obtenido gracias a su mecanización, permiten realizar un túnel en tiempos optimizados y en forma económicamente rentable.

La tunelería moderna depende de las técnicas eficaces de avance, de la durabilidad de largo plazo de los productos usados, y de la disposición de un ambiente de trabajo seguro. El hormigón proyectado satisface estos requisitos como revestimiento permanente, aportando a un incremento de demanda para futuras infraestructuras.El desarrollo tecnológico permite mejoras en las características físicas del hormigón proyectado, las cuales ofrecen al diseñador una variedad de posibilidades para modificar las características para requisitos particulares para cualquier proyecto dado. Esto incluye altas resistencias tempranas y finales, resultando en mayores rigideces e impermeabilidad, y con la introducción de refuerzo de fibra, aumentando la ductilidad.

El diseño de mezcla del hormigón proyectado puede ser adaptado en base a requisitos específicos del proyecto. El desafío para el diseñador es identificar los criterios relevantes de calidad y aplicables para el hormigón. El sostenimiento primario se aplica para satisfacer las especificaciones técnicas según lo dispuesto para un revestimiento permanente. Para el contratista, una mejor trabajabilidad del hormigón permitirá un mayor rendimiento y un avance más eficiente. La proyección de capas gruesas es posible usando acelerantes libres de álcalis, lo que es particularmente útil en condiciones de terrenos de mala calidad. El dueño del proyecto conseguirá un producto final que satisfaga sus expectativas.

La tendencia mundial es fortificar los túneles ejecutados convencionalmente, mediante el método definido como “single shellsprayed concrete lining” (revestimiento de hormigón proyectado mediante sistema mono-capa). El método consiste en el uso del hormigón proyectado tanto para el sostenimiento primario como el revestimiento secundario.

Como alternativa a las estructuras masivas de hormigón colado o a los segmentos prefabricados colocados dentro del sostenimiento temporal, mediante hormigón proyectado de alta calidad, se puede aprovechar las bondades del mismo, haciendo trabajar esta capa considerada “de sacrificio” junto con otra capa de hormigón proyectado. Estos revestimientos consisten en un hormigón proyectado con un espesor variable, combinado con pernos de anclaje debidamente grouteados y protegidos contra la corrosión.


Revestimientos permanentes de hormigón proyectado

El revestimiento de túneles mediante hormigón proyectado, combinado con otros elementos de fortificación, constituye la base del NuevoMétodo Austriaco deTunelería (NATM). Es importante para la calidad del trabajo y para el éxito de la aplicación, que uno esté debidamente familiarizado con este método constructivo, el cual implica algunas medidas que se detallan a continuación.

Control del agua subterránea:
El control del agua subterránea se realiza mediante sondajes de perforación en el frente de avance y mediante una pre-inyección del macizo rocoso, buscando establecer una zona impermeable alrededor del avance del túnel. Esta zona impermeable reducirá el gradiente del agua para evitar filtraciones a alta presión que alcance el contorno del túnel. La pre-inyección mejora la situación de estabilidad en la zona rellenada dentro del macizo rocoso. Se pueden evitar percances medioambientales y prevenir descenso de nivel freático. Otro factor importante es mejorar la constructibilidad de la obra subterránea, permitiendo la factibilidad para que hormigón proyectado y el empernado del terreno sean el método permanente de fortificación. Además se pretende que el método de impermeabilización sea económico, reduciendo el riesgo de accidentes laborales y la reducción total de costos y de tiempos de construcción. La pre-inyección se realiza generalmente con cementos especiales de alta finura, denominados “micro-cementos”.

Resistencia a la compresión a edades tempranas:
En latunelería moderna, donde a menudo se requiere de un sostenimiento inmediato del terreno, es decisivo contar con una resistencia del hormigón proyectado a edades tempranas (primeras horas de haberse aplicado). El rendimiento de excavación de un túnel (velocidad de avance) está influenciado por el desarrollo de resistencias a edades tempranas, ya que determina cuando se puede continuar con la excavación en terrenos blandos o roca fracturada. Los requerimientos para el desarrollo de la resistencias a edades tempranas del hormigón proyectado pueden variar, dependiendo del factor tiempo de uso, desde resistencia muy temprana (a los pocos minutos hastaaprox. una hora) a resistencia temprana (1 hora a 12 horas). Después de un día, el desarrollo de la resistencia requerida para hormigón proyectado es comparable con la de un hormigón colado in situ. Algunos factores que influyen en el desarrollo de la resistencia a edades tempranas son: contenido de agua del hormigón premezclado, tipo y contenido de cemento, tipo y dosificación de los acelerantes de fraguado a añadirse en la mezcla de hormigón, espesor de capa y temperatura de hormigón y medio ambiente.

El mejoramiento del desarrollo de resistencias a edades tempranas se consigue mediante la incorporación deacelerantes de fraguado. Sin embargo, pueden reducir la resistencia y durabilidad del hormigón proyectado a largo plazo, en comparación con un hormigón proyectado no acelerado de su misma composición. Altas dosis/sobredosis de acelerantes de fraguado tendrán un efecto negativo en las resistencias finales, permeabilidad y durabilidad del hormigón proyectado (falso fraguado o endurecimiento). La dosificación del acelerante en la mezcla influencian proporcionalmente estos efectos. Además, la composición química de los acelerantes de fraguado pueden afectar estas propiedades del hormigón proyectado.

La clasificación del hormigón joven puede ser definida sobre la base de los rangos de su desarrollo de resistencias a temprana edad. Para los propósitos de clasificación, se utiliza el nivel promedio de velocidad de endurecimiento, de acuerdo con el proceso de producción elegido y los requerimientos.El desarrollo de la resistencia del hormigón proyectado joven puede especificarse de acuerdo con las clases de resistencia a edades tempranas J1, J2 o J3. (ver figura adjunta).


Revestimientos de hormigón proyectado mediante mono-capa

Estos revestimientos (“Single Shell Lining”-SSL) se han construido desde que se introdujo el método de tunelería NATM, por ejemplo, para la construcción de túneles en hidroeléctricas, cavernas y túneles de transporte. Los temas principales de diseño estaban relacionados con la interacción estructural entre el sostenimiento primario (exterior) y el revestimiento secundario (interior), que se construyen generalmente en diferentes momentos y están sometidos a distintas tensiones y deformaciones, así como a la estanqueidad del revestimiento de hormigón proyectado.

La percepción del hormigón proyectado como un material de baja calidad (no duradero) se relaciona principalmente con la forma en que ha sido utilizado en forma convencional. Durante décadas, los revestimientos de túneles y otras estructuras subterráneas excavadas por métodos convencionales (perforación y voladura, rozadora, etc.) han sido diseñados y construidos en base al enfoque de un revestimiento de doble capa (DSL). Se construye inicialmente un sostenimiento temporal de hormigón proyectado para estabilizar el frente de avancede la excavación y después para contener las cargas a corto y medio plazo (revestimiento primario). Finalmente, se instala un revestimiento de hormigón permanente (lining) colocado in situ, para contener cargas a largo plazo y cumplir los requerimientos de servicio y durabilidad. La estanqueidad se consigue mediante la instalación de una membrana impermeable entre los revestimientos temporales y permanentes, y/o mediante la limitación de ancho de la fisura en el diseño del revestimiento secundario.

Durante los últimos años, se ha desarrollado significativamente la tecnología del hormigón proyectado con aditivos avanzados (hiperplastificantes, controladores de hidratación yacelerantes libres de álcalis), así como la aplicación mecanizaday la impermeabilización mediante membranasproyectables. Además se han optimizado los cálculos numéricos de diseño. Estos factores han permitido a los diseñadores utilizar revestimientos de hormigón proyectadopara una larga vida útil,sustituyendo el revestimiento tradicional de doble capa por un revestimiento de hormigón proyectado permanente (SCL), mediante un revestimiento de capa compuesta (CSL) o de mono capa (SSL). Los revestimientosCSL (Composite Shell Lining) óoSSL (Single Shell Lining), ambos reforzados con fibra estructural, proporcionan a la industria tunelera un revestimiento económico, estanco y duradero, pudiendo terminarse la superficie en un grado similar, si no mejor, a un hormigón colado.


Membranas Proyectadas de Impermeabilización

La industria química desarrolló hace dos décadas una membrana proyectada de impermeabilización, con adherencia por ambas caras, utilizada en sistemas de un único revestimiento monolítico y que puede resolver problemas técnicos que han demostrado ser difíciles de solucionar con membranas convencionales de PVC, yaque previene las filtraciones o migración de agua a ambos lados de la membrana. Puede ser aplicada en la reparación de túneles ya existentes y es especialmente adecuada para obras en las que el espacio es limitado. Además se consiguen beneficios en nuevas estructuras de hormigón, en particular aquellas con geometrías complejas, como las intersecciones de túneles y galerías de evacuación, ya que ofrecen un sistema de impermeabilización flexible y continuo, puenteando fisuras. No se requiere de juntas de impermeabilización de hormigonado y se evita el embolsamiento de aguas en el trasdós.

Estas membranas han sido utilizadas con éxito en Latinoamérica, por ejemplo en túneles carreteros (Lo Prado, La Polvora y Zapata, Chile), Centrales Hidroelectricas (El Platanal, Perú y Machadinho, Brasil), Estaciones de Metro de Buenos Aires, Rio de Janeiro y Santiago de Chile.

El uso de membranas proyectadas ha facilitado la construcción de un hormigón proyectadopermanente, para cumplir con las altas exigencias de impermeabilización. La membrana se proyecta sobre el sostenimiento primario de hormigón proyectado y se cubre más adelantecon el revestimiento secundario (hormigón proyectado o vaciado in-situ). Aquí, las propiedades adhesivas (por ambos lados) de la membrana de impermeabilización proporcionan el efecto compuesto y permiten que la carga pase desde el revestimiento primario alsecundario (generando monolitismo), optimizando el diseño (ahorro de espesores).

Debido a que los revestimientos primarios de hormigón proyectadogeneralmente no han sido considerados como parte del revestimiento permanente del túnel, la especificación del revestimiento primarioha llevado muchas veces a ofertar una baja calidad del hormigón proyectado. Sin embargo, se pueden construir revestimientos de hormigón proyectado que sean de una alta calidad uniforme, siempre y cuando se realice una correcta especificación técnica del proyecto asicomo unóptimo control de ejecución.


Fuente: Hartmut Claussen, CTES.
Mayo 2015
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