Indice 1 Definición 2 Norma 3 Conceptos 4 Procedimiento

TUNEL NATM
Indice
1 Definición
2 Norma
3 Conceptos
4 Procedimiento ejecutivo básico para túneles
en suelo
5 Equipo de trabajo
6 Manutención de túneles NATM
2 Norma
No existe norma específica de la Associação Brasileira
de Normas Técnicas (ABNT).
3 Conceptos del NATM
3.1 Movilización de las tensiones de resistencia
del macizo
El macizo circundante al túnel, que inicialmente actúa
como elemento de cargamento, debe pasar a se constituir en elemento de escoración. Esto se debe a la movilización de sus tensiones de resistencia. Es el principio de la estabilización por el alivio de tensiones por
deformaciones controladas (Figura 2).
1 Definición
El Nuevo Método Austriaco para Abertura de Túneles,
NATM (New Austrian Tunneling Method) es una manera segura y muy eficiente para construir túneles.
Básicamente, inmediatamente después de la excavación
parcial del macizo, se instala la estructura de soporte.
Esta estructura es hecha con hormigón proyectado y
complementada, cuando sea necesario, por tirantes y
cerchas. En esta metodología, que a primera vista parece simple, están embutidos conceptos fundamentales.
El NATM, desenvuelto por Ladislau Rabcewicz, tuvo
una evolución significativa en Europa entre el final de
la década del 1950 y la primera mitad de la década del
1960. Este desarrollo es resultado de la experiencia con
trabajos de ejecución de túneles en minas de carbón.
En la época se observó que las escoraciones de madera colocadas en las galerías de las minas, después
de la rotura de los primeros soportes provisionales, causadas por los esfuerzos del macizo, podían ser más
leves que los instalados inicialmente, en consecuencia
del alivio de tensiones ocurridas.
El suceso en la utilización del NATM depende de la
comprensión y aplicación de algunos conceptos, bien
como de la experiencia de los profesionales envueltos
en la construcción. Aqui, son presentados los conceptos principales que definen la tecnología para el uso del
NATM.
Estructura
de soporte
convencional
rígido
Zona
plastica
Area de
carga
Figura 2 - Carga sobre revestimiento.
3.2 Mantenimiento de la calidad del macizo por
la limitación del avance y aplicación inmediata
del revestimiento
La acomodación excesiva del suelo hace que el macizo
pierda su capacidad de auto-soporte y pase a ejercer un
esfuerzo sobre la estructura.
La aplicación inmediata del revestimiento de hormigón
proyectado impide esta acomodación, tanto así como
la formación de vacíos en la juntura estructura-macizo,
manteniendo su calidad. Esta aplicación de hormigón
posibilita que el soporte actúe en toda la superficie excavada, mejorando la interacción con el macizo.
Métodos antiguos, como el maderamiento, tienen
actuación puntual. Por más cuidadoso que fuera el acuñamiento de fijación, estos procesos causaban vacíos
en la juntura, ofreciendo condiciones para el inicio de la
disgregación del material y contribuyendo para la pérdida
de la capacidad de auto-soporte del macizo.
3.3 Avance y parcialización de sección de
excavación, cierre provisional y utilización del
soporte adecuado en el momento adecuado
El avance y la parcialización adecuada del frente de
excavación se dan en función del comportamiento del
macizo, que se traduce en el tiempo de auto-sustentación y deformación del material.
Figura 1 - Método NATM.
www.solotrat.com.br
Estructura de
soporte NATM
1
TUNEL NATM
Cuanto mayor sea el número de etapas, menor será
el área unitaria de excavación, mayor el tiempo de autosoporte de la abertura no escorada y menores serán las
repeticiones.
También influyen en la forma de parcialización los
equipamientos disponibles, plazo para ejecución de la
obra y costos. En general, es procurada una solución
que resulte en una mayor velocidad de ejecución.
T1
necesaria para el caso óptimo, pues el precisará trabajar
con niveles de tensiones más elevados, ya que el macizo
aún puede sufrir un alivio e, por tanto, la aplicación de
menor carga.
El comportamiento de la interacción macizo-estructura, recibe fuertes influencias de los siguientes factores:
deformaciones del macizo y del soporte; tamaño de la
abertura de la excavación; defasaje entre la excavación
y la aplicación del soporte; espesor del soporte; método
de avance de la excavación.
T2
1
1
3
T3
2
1
3
2
T4
1
4
T5
3
3
2
3.4 Utilización de enfilajes, tirantes y cerchas
Cuando es necesario, y para mejorar las condiciones
de sustentación, son aplicados elementos estructurales
adicionales al hormigón proyectado, como cerchas o
vigas metálicas embutidas en el concreto y anclaje en el
macizo del tipo tirante o perno, y enfilajes.
La colocación sistemática del anclaje permite la movilización de la capacidad portante del macizo, imponiendo
que las tensiones confinantes alrededor de la abertura
se mantengan en niveles compatibles, limitando las deformaciones. Para la estabilización previa de trechos a
ser excavados o en los adaptadores, son utilizados los
enfilajes clavados o inyectados.
2
1
4
4
2
5
1´
2´
5
Figura 3 - Ejemplos de parcialización de sección.
Perspectiva
El soporte del túnel trabaja como un anillo continuo,
que debe ser concluido lo más breve posible. Por cuestiones organizativas en la construcción, cuando es previsto el avance pronunciado de la bóveda del túnel,
muchas veces es colocado cierre provisional del anillo,
para estabilizar aquella área del macizo en cuanto las
demás áreas van siendo excavadas. Cuando la excavación es finalizada, ese piso es retirado, para la construcción del piso definitivo.
Dos cuestiones son importantes para la colocación
del soporte: la deformidad del mismo y el momento de
aplicación. Cuando el soporte es aplicado muy temprano,
o para aquellos con poca deformación, su capacidad
de resistencia debe ser superior a aquella realmente
Enfilajes
Cerchas
Presión en el revestimiento (P)
Cerchas
p
r
P´
Gano de seguridad
PS = en el caso óptimo
u
Avance de
Excavación
Enfilajes
1a fase
P0 = Tensión inicial
Curva de convergencia del macizo
Enfilajes 2a fase
Confinamiento del soporte
Plastico
Rotura
P´
U0
rm
efo
o
pt
im
Ó
U
e
abl
yd
Mu
Te
m
pra
no
Rígid
o
demá
s
PS
Soporte
Sección longitudinal
Rigidez del
soporte
Figura 5 - Enfilajes y cerchas.
Deformación (U)
3.5 Geometría de la sección excavada mínima y
preferencialmente arredondada
En el método NATM, el volumen de suelo excavado
es solamente aquel necesario para la aplicación del
revestimiento de concreto proyectado, sin la necesidad
de ninguna sobre-excavación.
Macizo
Início de la reacción del soporte
Figura 4 - Análisis de la variación de presiones actuantes en el
revestimiento.
www.solotrat.com.br
2
TUNEL NATM
En la construcción del túnel, se debe evitar geometrías
con cantos vivos, eliminado locales con concentración
de tensiones, que pueden llevar el material a la rotura.
de conclusión de la obra. En el caso de dos frentes de
ataque, se deben utilizar los servicios topográficos, para
que ocurra la perfecta concordancia en el momento del
encuentro de los dos frentes de excavación.
3.6 Drenaje del macizo
Siempre que haya ocurrencia de agua, la colocación de
drenaje entre la estructura y el suelo permite el alivio de
estas presiones sobre la superficie del soporte del túnel,
mejorando las condiciones de seguridad de la obra y
facilitando la excavación. También con este objetivo, la
aplicación de rebajamiento inducido del manto freático
es muy eficiente.
4.2 Excavación y ejecución del revestimiento
La abertura del túnel debe ser efectuada en las etapas
indicadas a seguir:
a) Según el área de la sección transversal del túnel y
de las características geotécnicas del macizo, la excavación del frente puede ser parcializada o plena,
conforme las indicaciones contenidas en el proyecto. En
el caso de excavación parcializada, será dejada enfrente
de la excavación, y en su principal, un contrafuerte de
tierra para auxiliar en la estabilidad. El largo del avance,
o paso de la excavación, será definido en el proyecto.
Todavía lo que determina los pasos del avance es el
comportamiento del macizo revelado en el quehacer
diario de la obra.
b) Después de realizado el paso de excavación, será
aplicado el hormigón proyectado. En el caso de túnel con
armazón de fibras sintéticas, el hormigón proyectado
será aplicado en su espesor de proyecto. En el caso de
armazón con mallazo, se aplica una camada de hormigón
proyectado de 3 centímetros de espesor y así se evita
posibles desplazamientos del suelo.
A continuación, es fijada por medio de grampos la camada externa de malla electrosoldada, obedeciéndose el
transferencia estipulada en el proyecto, con el posterior
cubrimiento de la misma con hormigón proyectado
hasta la posición de instalación de la camada interna
de la malla. Después de la colocación de la malla, se
efectúa su cubrimiento con 3 centímetros de hormigón
proyectado, finalizándose así el revestimiento de ese
paso de avance.
En el caso que el proyecto especifique un acabamiento
liso de la superficie del revestimiento, esta última camada
será hecha de argamasa con superficie enderezada a la
regla flexible.
c) Se repite nuevamente todo el proceso de abertura
y ejecución del revestimiento conforme los ítems anteriores hasta la finalización de la obra. La gran ventaja
de la aplicación de fibra en sustituición de la malla,
es la reducción del tiempo de trabajo y aumento de la
seguridad de la obra, pués se evita la necesidad del
pase de la tela a cada avance.
3.7 Caracterización geológico-geotécnica del
macizo, instrumentación e interpretación de
lecturas de campo
La realización de ensayos de campo y de laboratorio,
sumadas a las investigaciones de prospección geológica y análisis de deformaciones del túnel, permite la
caracterización y determinación de parámetros de resistencia, deformación y permeabilidad del macizo.
De acuerdo con el proyecto, se aplican los siguientes
tipos de instrumentación:
• Marcos de superficie para control de recalques.
• Gasómetro para control de recalques inmediatamente
encima de la calota del túnel.
• Pinos para control de recalques de las edificaciones
vecinas.
• Nivelación interna del túnel.
• Secciones de convergencia para control de deslocamientos internos del revestimiento del túnel.
• Piezómetro para control de la presión hidráulica en el
macizo.
• Indicadores de nivel del agua para control del nivel
freático.
• Inclinómetros.
En el NTAM, los datos oriundos de las instrumentaciones de campo tienen un papel muy importante, pues
permiten medir el desarrollo de las deformaciones, el alivio de las tensiones y, consecuentemente, la interacción
del soporte con el macizo circundante, además de:
• Alertan para situaciones no previstas, para que sea
posible la rápida tomada de decisiones.
• Suministran subsidios para la comprobación de las
hipótesis iniciales del proyecto, lo que permite adaptaciones y correcciones del método constructivo,
ajustando los espacios de cerchas y los tratamientos
previstos.
• Promoven condiciones para mejorar el desempeño de
la obra en cuanto a productividad, seguridad, economía
y calidad, a través de la interpretación de las lecturas de
los instrumentos asociada a los eventos observados en
la obra.
4.3 Rebajamiento temporal del manto freático
El proyecto determinará la necesidad, o no, de promoverse el rebajamiento temporal del manto freático durante
la ejecución del túnel. Dependiendo de la profundidad
del túnel, el rebajamiento será por las punteras al vacío
o por pozos con inyectores.
Los diámetros y profundidades de los componentes
del rebajamiento serán definidos por el proyecto. En
cualquier sistema deben estar disponibles en la obra,
bombas sobresalientes para inmediata sustituición de
aquellas averiadas. La operación de los sistemas debe
tener una asistencia permanente de 24 horas por día.
Se debe analizar la necesidad de mantener un generador, para operar en eventuales faltas de energía en
la red pública.
4 Procedimiento ejecutivo básico
4.1 Consideraciones iniciales
El gabarito externo de la sección transversal del túnel
será fijado antes del inicio de los trabajos, y sirve como
directriz para la excavación del túnel.
Previamente será definido si el túnel será ejecutado
en una o en dos frentes, dependiendo de la urgencia
www.solotrat.com.br
3
TUNEL NATM
5 Equipo de trabajo
Para obtener informaciones adicionales sobre esto,
vea el capitulo Rebajamiento del Manto Freatico.
5.1 Encargado de servicios
a) Verifica las condiciones para la entrada y movimiento
de los equipamientos a pie de obra; la descarga de los
equipamientos, utensilios y herramientas; la instalación
de la central de trabajo y la implantación general de la
obra.
b) Verifica la programación de ejecución (secuencia ejecutiva), de acuerdo con las características de la obra y
necesidades del cliente.
c) Coordina el diálogo diario de seguridad antes del
inicio de las actividades diarias e instruye en relación a
la seguridad durante la ejecución de los servicios.
d) Coordina la dirección del túnel a través de la topografía
expedita.
e) Orienta en relación a los procedimientos de excavación, aplicación del revestimiento provisional, drenaje
en el frente de excavación, montaje de la red eléctrica y
conductos de ventilación.
f) Decide por la ejecución de servicios complementarios
de seguridad: enfilajes, drenajes etc.
g) Obtiene del responsable por la obra, la liberación
formal referente a la geometría e instalación del túnel
(cotas y dirección), en la medida en que los trabajos son
desarrollados.
4.4 Cerchas y enfilajes
Ante la eventualidad de sospechas de inestabilidades en
el frente de excavación, en cualquier trecho del túnel, u
ocurrencia de repeticiones en la superficie, superiores
a los esperados, debe utilizarse sistemáticamente,
cerchas.
Las cerchas pueden ser de perfiles metálicos o de
vigas de barra de acero. Su geometría ejerce una función
de guía para la ejecución de los enfilajes. Los enfilajes
podrán ser de chapas de acero onduladas o barras de
hierro cuadradas, clavados con un martillo neumático
pequeño.
El espesor de la chapa de acero usualmente es de
3 mm. Las barras de hierro tienen entre 20 y 25 mm de
diámetro y el largo de los mismos debe estar determinado
en el proyecto. El proceso de ejecución es descrito a
continuación:
a) Instalación de la cercha metálica de dimensiones ya
definidas. El espacio entre cerchas será definido diariamente en el campo, dependiendo del comportamiento
del macizo.
b) Ejecución de los enfilajes.
c) Excavación de la sección hasta la posición de instalación de otra cercha, respetado el paso de avance del
proyecto o aquel definido en la obra.
d) Aplicación del revestimiento de hormigón proyectado
y mallas electrosoldadas.
e) Excavación de la sección y repetición de todo el
proceso hasta que se haya ultrapasado la región de
inestabilidad.
f) Se retorna, o no, a las condiciones normales de excavación, dependiendo de las condiciones locales del macizo. Las cerchas, en este caso, tienen función de soporte
temporal, sin efecto estructural permanente. Todos los
esfuerzos serán absorbidos por el revestimiento de hormigón armado.
5.2 Supervisor
a) Distribuye y fiscaliza las actividades tanto del frente de
excavación, como de los servicios de apoyo de retirada
de materiales, del preparo y proyección del concreto, y de
la instalación del conjunto de piezas de hierro, enfilajes,
drenajes etc.
b) Acompaña paso a paso la excavación (geometría y
avance), con especial atención a las condiciones de
estabilidad del macizo.
c) Discute con el encargado general las velocidades de
avance y el ciclo de operación (excavación y revestimiento), supervisa la dirección del túnel (topografía
expedita) y la ejecución de servicios complementarios
de seguridad: enfilajes, drenajes etc.
4.5 Enfilajes especiales
Cuando el túnel pase debajo de estructuras, galerías,
canales o ferrovías, deben ser minimizadas las repeticiones o recalques de la superficie y obtenerse una
mayor estabilidad del frente de excavación con la ejecución previa de enfilajes especiales (paraguas o coronas de jet grouting) cuyo largo es de cerca de 12 m.
Los enfilajes podrán ser formados por tubos de acero
con válvulas-manchete o no, o barras acopladas a tubo
con válvulas-manchete o no. Sus características y espacios son definidos en el proyecto.
En el caso de aquellos con válvulas tipo manchete,
tendrá la inyección de lechada de cemento en diversas
etapas con cantidades y presiones a ser definidas en el
proyecto.
5.3 Frentista
a) Ejecuta la excavación de forma tal que pueda atender
al gabarito del proyecto (geometría).
b) Aplica el conjunto de piezas de hierro, cerchas,
enfilajes, drenes u otros elementos que se hagan
necesarios.
c) Opera la manguera de proyección (manguero) o controla la bomba de proyectado (operador de bomba).
d) ayuda al capataz o supervisor en la ejecución de la
topografía expedita.
5.4 Auxiliar general
a) Ejecuta la retirada del material excavado y lleva para
el frente de excavación: conjunto de piezas de hierro,
cerchas, herramientas etc.
b) Cuando el concreto es producido en la obra, realiza
la mezcla de los materiales, de forma a atender las
proporciones según el proyecto.
4.6 Precaución
Para todas las interrupciones de turnos de trabajo, debe
ser evaluada la estabilidad provisional del frente. En caso
necesario, debe ser aplicada una camada provisional de
hormigón proyectado.
www.solotrat.com.br
* Debido a la no simultaneidad de las tareas, un mismo
4
TUNEL NATM
7 Ilustraciones de algunas obras realizadas por
Solotrat
funcionario puede ejercer varias funciones, siempre y
cuando, esté calificado.
6 Mantenimiento de túnel NATM
6.1 Superficie de concreto
El revestimiento de concreto no exige mantenimiento
especial, además de las usuales para concreto común.
Las juntas deben ser limpias con aplicación de mastique (resina), siempre que sea necesario.
El surgimiento de eventuales manchas de humedad
en el concreto, pueden evidenciar una posible ineficiencia del drenaje de superficie o profunda, donde deberá ser
efectuado, inicialmente, el mantenimiento preventivo.
En caso que ocurran manchas de humedad en la
superficie del concreto, éste deberá ser perforado para
que sea verificado el motivo de la ocurrencia, pudiendo
ser instalado un dren profundo adicional, para la eliminación de la humedad local.
6.2 Drenaje de superficie
Deberá ser ejecutada la limpieza constante en la salida
de estos drenes, de forma tal, que no interrumpa el
camiño abierto para el flujo de agua.
6.3 Drenaje profundo (DHP)
Deberá ser ejecutado el desarrollo de los drenes profundos, anualmente, consistiendo en:
• Construye un émbolo que penetre en el DHP (espacio
entre el émbolo y el PVC del dren deberá ser aproximadamente 1mm). Figura 6.
Figuras 8 y 9 - Tuneles
de acceso a supermercado, para coches y para
peatones, con 7,75 m y
5,40 m de alto.
Figura 6
• Inyecta agua por el émbolo, al mismo tiempo que el
mismo es introducido hasta el final del dren (Figura 7).
Figura 7
Figura 10 - Túnel residencial para acceso al elevador, con 3,05 m
de alto.
• Procede a la retirada del émbolo (Figura 8).
Figura 8
La operación deberá ser repetida varias veces, hasta
que se observe que el agua que sale inmediatamente
después de la retirada del émbolo, sea transparente.
www.solotrat.com.br
Figura 11 - Túnel para servicios industriales, con 5,16 m de alto.
5
TUNEL NATM
Figura 10 - Tunel bajo calle para interligación entre edificaciones,
con 3,64 m de alto.
Figura 12 - Tunel ferroviario bajo carretera, con 9,16 m de alto.
Figura 11 - Tunel para subterráneo.
Figura 12 - Tunel en carretera bajo ferrovia.
www.solotrat.com.br
6