Topografía aplicada a la excavación de túneles

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TOPOGRAFÍA APLICADA
“Topografía aplicada a la
excavación de túneles”
(2ª parte)
Publicamos la segunda parte de este artículo sobre topografía aplicada a la excavación
de túneles, en donde se explica de una manera más pormenorizada las características
más singulares del proyecto del túnel de San Gotardo entre Italia y Suiza, de una longitud de 17 km.
Patricia Ortega González, Ingeniero Técnico de Obras Públicas
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.
A esto hay que añadirle otro matiz.
Los cuidados a tener en cuenta
durante las tareas de observación
de una y otra habrán de ser estrictos a fin de conseguir las precisiones exigidas, tanto en su enlace
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como en su fiabilidad. Mientras
que a cielo abierto la comprobación es fácil, bajo tierra un error
no tiene comprobación inmediata
y sus consecuencias pueden ser
irreparables.
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.
• Paso de línea por montera (no
siempre realizable).
• Perfil longitudinal por montera
(no siempre realizable).
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 apro-
ximación 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.
Estos planos base pueden ser
generales de toda la zona de posible afección por el túnel, o parciales de determinadas zonas. Los
planos generales suelen requerir
de escalas del tipo 1/2.000,
1/1.000 o 1/500 con altimetría
acorde con la escala. Los planos
parciales o de detalle se realizan a
escalas del tipo 1/200 y 1/100, y
generalmente se realizan en la
zona de acceso, esto es, en las
boquillas y en los puntos de ataque de las rampas y los pozos.
RED DE ENLACE ENTRE BOCAS
La excavación de un túnel es una
tarea que sólo puede circunscribir-
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se 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.
En ocasiones, a fin de conseguir
mayor velocidad en los trabajos de
excavación, se aumenta en número de frentes de ataque, lo que se
consigue efectuando pozos o rampas auxiliares que permitan acce-
der desde la superficie a la rasante
proyectada del túnel.
Esta red de enlace entre bocas ha
de permitir conocer con toda exactitud las coordenadas espaciales
X, Y, Z de los puntos iniciales de la
excavación, así como los acimutes
de las alineaciones rectas de entrada y salida. Para ello es necesario
relacionarlos, lo cual se consigue
por medio de:
yectar la rasante de la galería y la
diferencia de cotas entre dichos
puntos.
Las precisiones requeridas en
estos trabajos previos estarán
siempre en función de las características de la obra. El condicionante más a tener en cuenta es la longitud existente entre N y S, bocas
de entrada y, por lo tanto, los
resultados estarán en función de
dicha longitud.
• Triangulación.
• Poligonales de precisión.
• Nivelación por alturas.
Según la figura, donde se expresa
el proyecto de un túnel en planta
con alineación recta entre una
boca norte punto N y una boca sur
punto S, que en su caso pudiera
ser una alineación curva cualquiera, ambos puntos N y S, así como
sus alineaciones de entrada y salida (R4, R3, N, R2, R1) ; (R5, R6, S,
R7, R8), se enlazan por medio de
una triangulación con dos bases
medidas en los extremos de la
cadena para su comprobación.
Modernamente esta triangulación
entre bocas es sustituida por una
poligonal de precisión, siempre y
cuando los condicionantes del
túnel, longitud y precisiones del
cierre del replanteo por ambas
bocas así lo permita. El presente y
futuro de este tipo de tareas es la
aplicación del G.P.S.
Así pues, el desarrollo de estas
observaciones de apoyo no será
igual para un túnel de unos cientos
de metros de longitud que para un
túnel de varios kilómetros. Del
mismo modo los cuidados a tener
en cuenta a lo largo de un replanteo no serán los mismos para un
túnel excavado directamente en
roca sin necesidad de revestimiento, que otro con revestimiento
simultáneo a la excavación.
Como ejemplo ilustrativo de lo
anteriormente comentado se tiene
el proyecto del túnel de San
Gotardo entre Italia y Suiza, que
con una longitud de 17 km. y contraído en 1973, presenta unas
características muy singulares, que
se detallan a continuación.
Por otra parte, habrá de efectuarse
entre ambos puntos una nivelación por alturas con la precisión
adecuada al caso, de tal manera
que se pueda determinar con toda
exactitud el desnivel o incremento
de cota entre ambos puntos de
boquilla N y S, ya que los valores
altimétricos de la triangulación o la
poligonal no tendrán las precisiones requeridas en estos casos.
Esta nivelación va a permitir pro-
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La red de apoyo consta de una
triangulación combinada con poligonal, es decir, una triangulación
trilaterada o triangulateración.
Está compuesta de 33 puntos
observados, referidos entre si por
231 visuales y 54 distancias. Se
efectuaron 126 cierres de triángulos, con un promedio en los errores de cierre de 7cc, efectuándose
una compensación en bloque por
mínimos cuadrados y obteniéndose unas elipses de error en los
puntos calculados del orden de 32
mm. de eje mayor.
Con este tipo de observaciones y
la correspondiente nivelación por
alturas se consiguieron unos cierres del replanteo de 16 cm. en
dirección, 7 cm. en longitud y 5
cm. en cota.
Dicho replanteo fue efectuado por
poligonales de centrado forzoso,
distanciómetros y giróscopos.
Paso de línea por montera
Mediante la red de apoyo externa,
triangulación o poligonal y nivelación por alturas, se enlazan los
puntos en superficie de inicio del
túnel por ambas bocas.
Según la figura, supuesto un túnel
en recta entre los puntos Boca A y
Boca B, con unas alineaciones de
entrada M-A y B-N, puntos de los
que son conocidas sus coordenadas X, Y, Z en función del enlace
realizado por medio de la red de
apoyo externa, será fácil calcular
el acimut de la alineación recta AB, referido a los puntos M y N, en
función de sus coordenadas. Este
acimut entre A y B se calculará en
función de las coordenadas de
proyecto de ambos puntos.
Si se replantean los puntos A y B y
desde A con referencia M, se prolonga la alineación recta M-A-B con
el acimut calculado en función de
las coordenadas obtenidas por la
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red de apoyo, en teoría, tendría
que llegarse a B. Si se excavase
bajo tierra desde A hacia B con
dicho acimut, y con la adecuada
pendiente en función del desnivel
entre ambos puntos, en teoría tendría que llegarse al punto B.
Ahora bien, la realidad es bien distinta, ya que las coordenadas de
los puntos A y B estarán afectadas
de unos errores más o menos
pequeños que darán lugar a un
acimut calculado afectado de un
cierto error, por lo que al prolongar
dicha alineación A-B, a cielo abierto, no se llegaría a B, sino que se
llegaría a un punto B´ desplazado
de B una magnitud lineal transversal tal que “e”.
Si a cielo abierto, en superficie, se
prolongase la alineación A-B a lo
largo de unos posibles puntos
intermedios E1´- E2´- … - E7´, y se
supone dicha prolongación exenta
de errores de arrastre, aunque
realmente sí se cometerán errores
en dicha prolongación, está claro
que el acimut O calculado entre A y
B está afectado de un error E, cuyo
valor será tag E = e/AB, donde “e”
es el desplazamiento obtenido y
AB es la distancia entre los puntos
en cuestión. Pero también es
obvio, que si se quiere replantear
este túnel en recta con toda precisión, a de chequearse el acimut
elegido para prolongar la excavación, y tener plena certeza de que
manteniendo una determinada
orientación acimutal de la recta MA, se llega al otro extremo de la
misma, punto B.
En un principio, y con independencia de los posibles errores en
la prolongación de la alineación
recta A-B, se puede efectuar una
primera rectificación del acimut
calculado, merced al valor del
ángulo E anteriormente calculado.
La operación anteriormente descrita es lo que se denomina el “Paso
de Línea por Montera”, que a fin de
cuentas es una comprobación a
cielo abierto del replanteo.
Si con el acimut previamente calculado y corregido del error E, se vuelve a prolongar la alineación recta AB, se llega a B con un desplazamiento “e´” menor que el anterior,
lo que permitirá efectuar el cálculo
de un nuevo error. Repitiendo esta
operación las veces necesarias se
llega a obtener el acimut de la dirección de la recta A-B que exactamente cumple con el condicionamiento
de enlazar en recta A con B, con
independencia de las coordenadas
atribuidas a A y B.
Está claro que una vez conseguido
esto, a cielo abierto, si posteriormente se efectúa una excavación
subterránea entre A y B con la
dirección ajustada y corregida a
cielo abierto, y se da a dicha excavación la adecuada pendiente, lo
mismo que en superficie se ha llegado exactamente a B, también se
conseguirá prolongando la alineación recta bajo tierra.
Conviene resaltar que se ha considerado la prolongación de la alineación exenta de errores, lo que no
es cierto, por lo tanto se ha de
tener en cuenta dicho factor a la
hora de evaluar a priori el posible
error de llegada “e”.
El conseguir un exacto valor de la
pendiente de la rasante del túnel
está en función de la precisión de
la nivelación que se realice entre
ambas bocas.
Este paso de línea por montera, o
en su caso, un replanteo previo
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por montera, no es siempre factible, pues estará condicionado por
las características del terreno en
superficie.
No obstante, siempre que ello sea
posible, es aconsejable efectuar
este paso de línea o comprobación
de línea por montera, que puede
evitar o paliar los errores de cierre
del replaneo al realizar éste por
dos frentes de excavación que en
teoría han de ser coincidentes.
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 mismo, 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 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.
Es obvio decir que en cualquier
caso este perfil puede conocerse a
partir del plano base, y que tan
sólo es necesario replantear en
superficie el punto elegido para
iniciar el pozo o la rampa, lo que
habrá de ejecutarse con sumo cuidado para una vez nivelado, poder
determinar con toda exactitud la
profundidad del pozo o la dirección espacial de la rampa, la cual
permita acceder al punto del túnel
proyectado.
En la figura se puede apreciar un
túnel en recta, con su paso de
línea por montera. El perfil longitudinal por montera se obtendría a
cielo abierto a lo largo de las estaciones, N, R3, R4,..., R5, R6, S.
Este perfil por montera adecuadamente señalizado, replanteado y
observado permite proyectar un
pozo o rampa desde la superficie a la
rasante de excavación proyectada.
Parece conveniente poner de manifiesto lo siguiente. Si al perforar un
túnel desde dos boquillas de ataque, el acimut de las direcciones
de perforación no es coincidente,
se producirá un error de cierre
transversal. Por otra parte, si las
pendientes de estas direcciones
de perforación no son coincidentes en el punto previsto para su
encuentro, se producirá un error
de cierre en cota vertical. Estos
errores, por supuesto, siempre van
a producirse pero serán admisibles
hasta unos ciertos límites de tolerancia, fuera de los cuales sus consecuencias serán irreparables,
dando lugar a la típica anécdota
del error de cruce, que suele
comentarse en estas obras.
En vista de la figura, supuesto un
túnel en recta W-E con pendiente
recta continua, puede darse el
caso que de forma realzada se
expresa, donde un error en acimut
da lugar al cruce de la galerías excavadas en el teórico perfil de encuentro o
cale. Por otra parte, un
error en el cálculo de la
pendiente de la rasante o
en la determinación de la
cota de W y E da lugar al
cruce en el plano vertical de las
galerías excavadas.
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.
El cálculo del replanteo de un
túnel o de una galería subterránea
no tendrá mayor problema que si
la obra fuese a cielo abierto. No
obstante, habrán de aplicarse los
métodos más adecuados al caso,
en función de los condicionamientos constructivos, que anteriormente ya han sido comentados.
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