Experiencia en la construcción de túneles en líneas de alta velocidad

Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 1 Capítulo 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1. Introducción Salvar la barrera que representa la orografía para poderse comunicar ha supuesto un empeño permanente del hombre a lo largo de su historia. Ya desde tiempos remotos tenemos constancia de que nuestros antepasados excavaban túneles. El ejemplo más antiguo del primer túnel del que se tiene constancia gracias a los relatos de Diodoro de Sicilia, Herodoto y Estrabon, es el túnel de Babilonia, que mando construir Seminaris bajo el río Éufrates, para comunicar el Palacio y el Templo de Belos, en Babilonia, en el año 2200 a.C. [23]. Otro ejemplo de cómo el hombre ya se las ingeniaba en aquel entonces para minimizar los plazos de excavación, es el túnel de Ezequías en Jerusalén, calado sobre el año 700 a.C. En la excavación del túnel participaron dos equipos que avanzaron simultáneamente desde los dos extremos. El resultado fue un túnel de 450 m para cubrir una distancia de 300 m, ya que los equipos realizaron numerosos intentos fallidos en direcciones equivocadas. Pero no es hasta el siglo XIX con la aparición del ferrocarril cuando la excavación de túneles alcanza su gran apogeo. El túnel de Terre-Noir en Francia, se podría considerar como el primer túnel ferroviario del mundo. Terminado en el año 1826 y con una longitud de 1.476 m, se trataba de un camino de carriles traccionado por caballos, que cubría la línea Roanne-Andrezieux. Ya en la segunda mitad del siglo XIX, se produce un extraordinario progreso en Europa con la construcción de los tres grandes túneles ferroviarios que permitirían atravesar los Alpes, realizando excavaciones que superaban los 10 km, cuando todavía los medios de los que se disponía por aquel entonces eran bastante rudimentarios. El primero en cruzar los Alpes fue el túnel de Mont Cenis, que con una longitud de 13,7 km, conecta Francia (por Modane) con Italia (por Bardonecchia). Su construcción prevista para 25 años, se completó en sólo 14, entre los años 1857 y 1871, gracias a las innovaciones técnicas empleadas por el ingeniero francés Germain Sommeillier, desarrollando la primera máquina perforadora de roca y llegando incluso a utilizar al final del proyecto la recién inventada dinamita. Años más tarde, en 1882, se abre el túnel ferroviario de Saint Gothard con casi 15 km de longitud en Suiza, tratándose de un solo tubo con dos vías. Construido por el ingeniero suizo Luis Favre en tan solo ocho años. La excavación comenzó por ambas bocas en el año 1872 y terminó en 1.880. El tercer túnel ferroviario que completó la triada en la lucha por perforar los Alpes, fue el túnel de Simplon I, entre Suiza e Italia, abierto en el año 1906 y con una longitud de 19,8 km. Como podemos ver, con el paso del tiempo y el desarrollo de las herramientas y la técnica, han permitido que poco a poco se hayan podido construir túneles cada vez más largos y de mayores prestaciones. La construcción de túneles y obras subterráneas, desde el punto de vista de la ingeniería, es una actividad que históricamente se inició con las explotaciones mineras. Esta actividad se vio enriquecida con la construcción de los grandes túneles ferroviarios de finales del siglo XIX, y se ha impulsado actualmente con las grandes obras de ingeniería llevadas a cabo en este nuevo siglo XXI. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 2 Un túnel es una obra lineal subterránea, o lo que es lo mismo, una perforación horizontal abierta artificialmente sobre el terreno, cuyo objetivo funcional es el de establecer la comunicación más directa posible entre dos lugares. Su construcción se debe a la necesidad de atravesar un obstáculo natural, generalmente macizos montañosos o cursos de agua, fluviales o marinos; o para el aprovechamiento del uso del suelo de zonas urbanas en grandes ciudades. Existen gran variedad de tipos de túnel, como por ejemplo túneles carreteros, ferroviarios, hidráulicos, túneles o galerías de servicio para gas, teléfono, electricidad, etc. Los túneles son obras de carácter singular respecto al resto del trazado de la red de la cual forman parte. Se trata de obras en que el espacio está limitado a la sección transversal, su acceso no es posible desde cualquier punto y tienen unas características físicas diferentes al resto del trazado. Los túneles son obras que no pueden tener un proyecto tipo, sino que cada uno de ellos es un caso particular que debe estudiarse separadamente. La implantación en el terreno, características geométricas de alzado y perfil, la sección transversal y los métodos de construcción están estrechamente ligados a la geología, tipos de terreno, volumen de tráfico, zona rural o urbana, etc. También podemos encontrar construcciones subterráneas como: redes de alcantarillado, pozos, centrales eléctricas o nucleares, depósitos de todo tipo, instalaciones militares e incluso para servicios comerciales, culturales y sociales como auditorios, palacios de deportes o complejos comerciales entre otros. Actualmente todo este tipo de construcciones están en pleno auge ya que una de las ventajas en la construcción de infraestructura subterránea es que se trata de la obra civil que mejor preserva el valor del paisaje, debido a que reduce los volúmenes de movimiento de tierra, evita la contaminación del nivel freático, limita el ruido producido en su interior y reduce los terrenos a expropiar. En definitiva, se trata de la obra de menor impacto ambiental. Los organismos internacionales y los estados, debido a la demanda social, se están viendo obligados a promover durante este siglo XXI el desarrollo y la relación de megaproyectos que permitan establecer conexiones rápidas y seguras entre las distintas áreas geográficas del planeta, para favorecer la movilidad de las personas y el intercambio de todo tipo de mercancías. La construcción de estas grandes vías de comunicación exigirá atravesar importantes barreras naturales que, durante milenios, no se han podido franquear. En muchos casos, el modo más seguro y económico de salvar estas barreras geográficas será la realización de importantes obras subterráneas que exigirán el desarrollo de nuevos métodos de construcción más seguros y eficaces. 1.2. Objetivos del trabajo Las exigencias que con mayor frecuencia impone la sociedad de cara a la obtención de elevados estándares de confort y calidad en las vías de comunicación obligan a que, dada la orografía en la que se encajan y dadas las exigencias de trazado y de reducción de impacto ambiental, aparezca con mayor frecuencia la figura del túnel y que éste sea cada vez de mayor longitud. Ambos conceptos: “Comunicación” y “Medio Ambiente”, hacen del túnel un elemento imprescindible en la actualidad. El objetivo principal de esta tesina, es poder ofrecer al lector un documento que le permita tener una visión más clara y global del estado actual de los túneles ferroviarios. En especial de los túneles ferroviarios de alta velocidad y de grandes longitudes: los llamados Túneles de Base que, por sus características, son los que presentan mayores dificultades. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 3 Conocer las características de los distintos tipos de túnel, así como las principales diferencias entre ellos. Analizar los métodos de construcción y las medidas de seguridad exigidas. Mostrar las técnicas más innovadoras y las tendencias futuras en diseños, materiales y procesos constructivos de este tipo de obras, son algunos de los objetivos marcados en este trabajo, así como conseguir definir una serie de directrices y valores comunes y obtener como resultado unas conclusiones y recomendaciones basadas en la experiencia actual existente que muestren el camino futuro a seguir en la construcción de este tipo de infraestructuras. 1.3. Diferencias entre túnel y vía a cielo abierto La ventaja principal del túnel es la búsqueda del camino más corto entre dos puntos: el acortamiento del recorrido. Esto implica un ahorro de tiempo de transporte, un ahorro de energía y un ahorro del desgaste de los vehículos. Comporta también, en la mayoría de los casos una reducción del desnivel a salvar y de la pendiente máxima, lo que refuerza los ahorros anteriores. La otra gran ventaja es la de no ocupar la superficie del terreno. Ello puede ser determinante en vías urbanas. El no ocupar la superficie del terreno suele implicar también una fuerte reducción de la afección medioambiental, y generalmente es el túnel la forma técnicamente viable para alcanzar una afección mínima compatible con la realización de la vía. Como contrapartida, el túnel resulta mucho más caro que la vía a cielo abierto. El coste unitario relativo entre kilómetro de túnel respecto al de vía a cielo abierto y viaducto en desmonte o terraplén, ha evolucionado en las últimas décadas, abaratándose aproximadamente a la mitad. Es difícil hablar de costes, pues dependen mucho del terreno y de las circunstancias locales, pero puede afirmarse que la mayor mecanización, la reducción de los “coeficientes de ignorancia” o de exceso de seguridad y el aumento del mercado, son mejoras que han logrado esa reducción de los costes relativos. Además, se ha reducido bastante el grado de incertidumbre del coste final. Las mejoras tecnológicas que han permitido ese abaratamiento relativo del túnel, han propiciado también la ampliación de la sección mínima para aumentar su capacidad de tráfico, su seguridad y la comodidad de su uso. Esta mejora además, absorbe parte de la reducción de costes lograda. 1.4. Los distintos tipos de túnel y sus principales funciones Tanto las funciones de los túneles como sus dimensiones, forma y revestimiento son diversas y tienen una importancia fundamental a la hora de escoger los métodos más apropiados de construcción. En el proyecto y la construcción, los factores importantes que se deben analizar en relación a la función del túnel son los reflejados en la siguiente tabla. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 4 FACTORES RELACIONADOS CON LA FUNCIÓN DE CADA TÚNEL LOCALIZACIÓN Un túnel puede atravesar una montaña, una colina; estar sumergido; ser urbano o interurbano. EL TERRENO Blando, roca dura, homogéneo, heterogéneo, presencia de agua, etc. Cualquier selección que se haga del terreno implica cambios en la geometría, la forma estructural y el método de construcción. DIMENSIONES Y GEOMETRÍA Las del túnel terminado: ancho, altura y longitud, junto con los niveles, pendientes y curvas, requieren de unos límites especificados y pueden ofrecer un amplio campo de posibilidades dependiendo de la función dada al túnel. FORMA ESTRUCTURAL Podrá ser: circular, herradura, rectángulo o cualquier otra forma que sea capaz de soportar la carga impuesta y sobre todo que sea funcional. MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN Podrá ser: explosivos, maquina excavadora, tuneladoras o túneles prefabricados. La selección del método está limitada no sólo por las condiciones del terreno, sino también por los recursos disponibles en todos los sentidos. EQUIPAMIENTOS El túnel terminado incluye las calzadas o las vías de ferrocarril, iluminación, ventilación, acabados decorativos y funcionales, sistemas de seguridad y de control. Tabla 1.1. Factores relacionados con la función de cada túnel. Fuente: elaboración propia, [18]. Todas estas condiciones se deberán tener totalmente en cuenta en la planificación y diseño del proyecto ya que su modificación a posteriori comporta problemas en la mayoría de los casos. La red de autopistas y las líneas de alta velocidad requieren de trazados con curvas de grandes radios y pendientes limitadas, obligando a la construcción de gran número de túneles, y a veces de gran longitud. También las conducciones hidráulicas reclaman la construcción de numerosos túneles, si bien, con parámetros muy distintos: pequeña sección, curvas de radio pequeño y mínima pendiente. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DIFERENCIADORAS Trazados Tipos túnel Radios Pendientes secciones Longitudes Ferroviario grandes moderadas moderadas grandes Carretero moderados elevadas grandes moderadas Hidráulico pequeños mínimas pequeñas muy grandes Tabla 1.2. Principales características diferenciadoras. Fuente: elaboración propia. Las distintas características: geométricas, estructurales y sobre todo funcionales, hacen que los túneles ferroviarios y carreteros sean mucho más semejantes y que difieran significativamente respecto a los túneles hidráulico, especialmente en lo que se refiere a instalaciones auxiliares (ventilación, iluminación, seguridad, señalización, sistemas de control, acabados, etc.). No obstante los métodos de perforación que se aplican en los tres casos son prácticamente iguales. Hay que destacar que las perforaciones de secciones y longitudes de grandes dimensiones o en zonas donde los recubrimientos son extremos (ya sean de carácter inferior o superior), por lo general resultan más complicados de realizar y por lo tanto más caros, aunque el papel más determinante en la perforación lo marcará siempre la calidad del terreno a atravesar. Los túneles ferroviarios presentan una serie de características que son comunes a cualquier túnel, relativas principalmente, a los aspectos de proyecto y constructivos. Pero existen otra serie de aspectos característicos únicamente de los túneles ferroviarios que les confieren personalidad propia. En relación con los equipamientos interiores, sus diferencias son sustanciales con los de carretera. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 5 La ventilación e iluminación de los túneles de carretera es habitual a partir de determinadas condiciones de su trazado. Generalmente, en el marco ferroviario y para túneles en plena vía, la experiencia pone de manifiesto que, excepto en los casos de túneles de gran longitud cuyo trazado sea curvo o esté mal orientado con relación a los vientos dominantes, no es necesaria la ventilación artificial ya que con el efecto pistón del tren es suficiente. Evidentemente este problema no existe en el caso de tracción eléctrica. La iluminación de los túneles de ferrocarril no presenta un carácter permanente en casi ninguna red. En cuanto a los problemas de circulación de agua en su interior, se adoptan soluciones similares a los túneles de carretera, aunque en estos últimos las normas son más estrictas respecto a la exigencia de mantener las paredes del revestimiento limpias y secas de filtraciones. Otros aspectos característicos de los túneles ferroviarios es que en plena vía puede resultar necesaria la colocación de señales de aviso de peligro para el hilo de contacto, en el caso de tracción eléctrica, y de la construcción de pasos y refugios para la protección del personal de mantenimiento y facilitar la evacuación en caso de emergencia. A pesar de todo lo comentado hasta ahora, la característica más propia de los túneles ferroviarios, y sin duda la más importante, es la presencia de efectos aerodinámicos, que son especialmente pronunciados en determinados túneles de vía simple y durante el cruce de trenes en vía doble. Tipos de túnel ferroviario Existen diversos tipos de túnel ferroviario. Una diferencia básica, es que podemos encontrar túneles artificiales o falsos túneles (excavados a cielo abierto “trinchera” o simplemente cubiertos), fundamentalmente por motivos económicos y/o ambientales, y túneles de mina, excavados directamente sobre el macizo rocoso del obstáculo másico a franquear. Otra clasificación la encontramos en la localización de ambos tipos de túnel: túneles urbanos e interurbanos. Los túneles urbanos atraviesan el subsuelo de las ciudades y son necesarios para que las circulaciones ferroviarias tengan acceso a las terminales, que están normalmente situadas en lugares céntricos de las poblaciones. Estos túneles se caracterizan por tener que soportar un tráfico elevado (en especial el de pasajeros y en menor cuantía de mercancías), ya que gran número de líneas confluyen en ellos. También se caracterizan por los riesgos de subsidencia y por la posibilidad de afectar a las edificaciones en superficie en la fase de construcción. Respecto a los túneles interurbanos podemos encontrar los submarinos y los que atraviesan todo tipo de formaciones montañosas. Podemos encontrar dos tipos de túneles submarinos: los excavados en mina y los prefabricados. Estos últimos están divididos en piezas y se montan en una trinchera dragada en el lecho marino que posteriormente se cubre. Los principales problemas que presentan son la elevada presión que soportan y el peligro de inundación que existe, en especial, en la fase de construcción. También son característicos por la gran longitud que tienen que retranquear las bocas para poder alcanzar la cota necesaria para salvar el obstáculo sin recurrir a una pendiente excesiva, esto ocurre sobre todo en los túneles de mina. Finalmente tenemos los túneles que salvan formaciones montañosas y que podemos diferenciar tomando como elemento tipológico la situación relativa en que se halla el túnel respecto a la base de la montaña, pudiendo distinguir entre: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 6 - Túneles de cota: De corta longitud y característicos en los trazados de alta montaña. - Túneles de altitud media: Tienen ya una montera importante, son de longitud media. A este tipo de túnel pertenecen la mayoría de los túneles existentes construidos en el siglo pasado. - Túneles de base: Son los de cota más baja y los de mayor montera, de ahí reciben el nombre ya que atraviesan la montaña por la base (por el valle). Son los que presentan mayores dificultades por su considerable longitud, por las fuertes descompresiones de las rocas y por las elevadas temperaturas. Figura 1.1. Clasificación de túneles respecto a la altitud por la que discurren. Fuente: [22]. 1.5. La situación actual del túnel ferroviario El transporte ferroviario tiene muchos puntos fuertes difícilmente superables por los otros modos de transporte terrestre: 1. Posibilidad de velocidades muy elevadas (récord reciente de 574,8 km/h)[D]. 2. Posibilidad de grandes cargas (trenes de hasta 70.000 toneladas)[33]. 3. Inigualable seguridad. 4. Muy buen rendimiento energético. 5. Buen rendimiento económico (según los recientes estudios en balances sociales). Estas cinco características; en especial la primera, que permite con la Alta Velocidad competir de forma directa, al ferrocarril con el avión en trayectos inferiores a los 700 km y la tercera, que se puede justificar sobradamente comparando los datos de víctimas mortales por accidente de carretera en España (año 2009): 2.600 personas; con los de víctimas mortales imputables a RENFE, (media anual): 4 personas. Estos datos no dejan duda alguna del elevado grado de riesgo que tiene el circular por carretera. Todas estas ventajas ofrecidas por el ferrocarril, hacen que hoy se estén construyendo gran número de nuevas líneas y por lo tanto gran número de túneles. Por esta razón en este trabajo nos centraremos en el estudio de los túneles de alta velocidad. Si analizamos un total de 65 túneles, ferroviarios y carreteros; considerados actualmente los de mayor longitud (más de 10 Km), respecto al tipo, situación geográfica y fecha de final de obra, obtenemos los siguientes resultados: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 7 Situación geográfica Túneles largos (más de 10 Km) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Austria Canadá China Corea del Sur España EEUU Finlandia Francia Italia Japón Noruega Reino Unido Rusia Sudafrica Suecia Suiza Taiwán Turquía Nº de túneles Figura 1.2. Situación geográfica túneles de gran longitud. Fuente: elaboración propia. Periodos de realización de los túneles ( > 10 km) 0 5 10 15 20 < 1800 1900-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2009 2010 < Años Número de túneles Figura 1.3. Periodos de realización de los túneles. Fuente: elaboración propia. TIPOS DE TÚNEL ( > 10 km) 0 10 20 30 40 50 60 Ferrocarril Carretera Número de túneles Figura 1.4. Tipos de túnel. Fuente: elaboración propia. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 8 Como podemos ver en las gráficas anteriores, existe un mayor número de túneles ferroviarios de grandes longitudes que carreteros; esto es debido a que los trazados son mucho más estrictos en las líneas ferroviarias que en las carreteras. También podemos observar el significativo aumento de este tipo de obras en los últimos 30 años. Esto se debe principalmente a los avances en las diferentes técnicas de excavación, materiales, maquinarias, estudios, etc. y sobre todo al abaratamiento del kilómetro construido con estas nuevas técnicas. Finalmente podemos apreciar que los países con un mayor número de este tipo de infraestructuras son: Japón, Italia y Suiza. Esto se debe a las diversas razones que analizaremos en el próximo apartado. 1.6. Los principales escenarios Japón fue el primer país en construir vías férreas especialmente diseñadas para la Alta Velocidad. Todo empezó con la red de los ShinKansen (nuevas vías), y poco después le siguieron países europeos como Francia, Alemania, Italia, España, etc. Actualmente están emergiendo países como Taiwan, Corea del Sur y China, con apuestas muy interesantes respecto a la implantación en sus territorios de líneas de alta velocidad. También resulta curioso observar como países de gran trascendencia y potencial en otros sectores, como son Estados Unidos y Rusia, debido a diversos factores tales como la viabilidad económica y de servicio de este tipo de líneas en las dimensiones tan extensas de sus territorios; las distintas políticas energéticas aplicadas; los diferentes tipos de materiales rodantes a motor (gasoil) y el no mostrar un verdadero compromiso con las políticas medio ambientales, han hecho que no se encuentren en estos momentos entre los países punteros de este sector. A día de hoy en Estados Unidos parece que las cosas están cambiando y están empezando a apostar por el medio ambiente y por lo tanto en el fomento de líneas ferroviarias de alta velocidad. Un ejemplo claro de ello es que el estado de Wisconsin firmó el 21 de julio de 2009 un contrato con Talgo para la adquisición de dos trenes destinados a la mejora de sus servicios ferroviarios de viajeros. Estos trenes están basados en la serie 6 de Talgo y se construirán en Estados Unidos. El estado de Wisconsin es uno de los afectados por los once corredores de alta velocidad que está previsto construir en los próximos años en ese país. [D]. 1.6.1. Japón En el ámbito de la ingeniería civil, a la hora de referirnos a Japón, es habitual pensar en imponentes e innovadoras obras de ingeniería. Este es el caso del túnel Seikan, que enlaza los 53 Km que separan la isla de Honshu y Hokkaido y que durante mucho tiempo fue el túnel ferroviario más largo del mundo. Otras obras singulares como el Aeropuerto Internacional de Kansas en Osaka, construido íntegramente sobre el mar, o el puente colgante de AkashiKaikyo, el de mayor longitud de ésta tipología, son algunos de los ejemplos que sitúan a este país en una posición de referencia. Pero, es sin duda la construcción del tren de Alta Velocidad en 1964 el hito que confirmo la revolución innovadora que iba a llevar a cabo Japón en la segunda mitad del siglo XX. Japón logró mucho más que alentar el crecimiento de su propia economía cuando abrió la línea Tokaio Shinkansen entre Tokio y Osaka en los días previos a los Juegos Olímpicos. Además esto dio inicio a una era completamente nueva del transporte por ferrocarril, impulsando la creación de líneas de alta velocidad en otros países e inyectando esperanzas a una industria que empezaba a declinar. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 9 El principal inconveniente al que tiene que enfrentarse la Alta Velocidad japonesa es la orografía. La topografía por la que tienen que transcurrir sus líneas de alta velocidad es francamente adversa. Japón es un país muy compacto con escasamente 200 km de ancho y formando el conjunto de sus islas una cadena montañosa, por lo que sólo existe una cuarta parte del territorio llano, concentrado en la zona próxima a la costa. En estas zonas es donde se agrupa la mayor parte de su población, pero para conectar estas regiones hay que atravesar una larga sucesión de cadenas montañosas (las Hida, las Kiso y las Akaishi), que dividen el archipiélago en dos mitades, una del lado del Océano Pacífico y la otra del lado del Mar del Japón. El único modo de salvar estas barreras ha sido construir gran cantidad de túneles y viaductos. A continuación analizaremos algunas de las línea del tazado de Alta Velocidad japonés. Figura 1.5. Mapa de las líneas de Alta Velocidad japonesas y sos principales túneles. Fuente: [27] En la línea Tokaido se estableció un plazo de ejecución de la obra muy ajustado. Tenían que realizarse los 515 km del recorrido en 5 años para que su inauguración coincidiera con los Juegos Olímpicos de Tokio de 1964. Por ello se ajustó el trazado al máximo a la línea Tokaido de ferrocarril convencional que ya existía por aquel entonces. Este trazado discurría muy próximo al litoral evitando así las cordilleras montañosas entre Tokio y Osaka. Se limitaba así la construcción de túneles, viaductos o puentes que ralentizarían el proceso. Esta decisión provocó una importante limitación en los parámetros del trazado. Así pues, el trazado entre Tokio y Shin-Osaka tiene 49 túneles entre Tokio y Nagoya, y otros 31 entre Nagoya y Osaka. Del total de estos 80 túneles la mayoría son cortos, salvo 18 que tienen más de 1 km de longitud y el de Tanna, de 7,9 km. Este último, entre Mishima y Atami, ya se había empezado a construir en 1942 como parte del proyecto del danghan ressha, [28] pero la obra había sido abandonada por falta de fondos en la posguerra. Al final resultó un trazado de 515 km, con 89 km bajo túnel y 174 sobre puente o viaducto. Tras el éxito de la línea Tokaido se planearon numerosas líneas. La primera en construirse, la Sanyo Line, entre Osaka y Fukuoka se ejecutó en dos tramos: primero entre Osaka y Okayama, y a continuación entre Okayama y Fukuoka. En este corredor ya era más complicado evitar túneles y viaductos. No olvidemos que esta línea se proyectó para 260 km/h por lo que el trazado era más rígido, siendo más complicado adaptarse a la topografía existente. Los resultados son claros: para una longitud similar a la del Tokaido Shinkansen, tenemos más del triple de kilómetros en túnel (281 km). En las dos tablas siguientes podemos encontrar un listado con los túneles de mayor longitud japoneses y su distribución en las principales líneas. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 16 Por razones de seguridad todos estos nuevos túneles transalpinos consistirán en dos tubos de una sola vía cada uno, conectados cada 300 m aproximadamente mediante túneles transversales menores. Estas conexiones permitirán la evacuación desde un túnel hacia el otro. Tabla 1.6. Resumen de túneles ferroviarios de los corredores transalpinos. Fuente: elaboración propia, [4]. 1.6.2.2. Otras líneas singulares Francia: Como hemos comentado anteriormente la Paris-Lyon fue la primera línea de alta velocidad Francesa. Construida en balasto y con pendientes máximas del 35‰, no requirió en todo el trazado la construcción de ningún túnel. Esto es debido a que el relieve que predomina en Francia es llano. Más de dos tercios de su territorio no alcanzan los 250 m de altura, sobretodo en el oeste, en el llamado corredor Atlántico. Pero también existen importantes formaciones montañosas como los Pirineos en el sur haciendo frontera con España y los Alpes en el noreste haciendo frontera con Italia y Suiza. En estas dos formaciones montañosas Francia, en colaboración con otros países como España e Italia, ha construido y está construyendo importantes túneles como es el caso de Le Perthus en Pririneo Oriental (Figueres-Perpignan finalizado en 2009) que da continuidad al corredor del Mediterráneo y que tiene una longitud de 8.200 m de los cuales 7.400 son franceses y 800 españoles. El ya comentado Lyon-Turín, actualmente en construcción, formará parte del corredor transalpino que unirá Francia con Italia. Una de las líneas ferroviarias con más kilómetros en túnel es la continuación a Marsella, la línea TGV Mediterranee, de 250 km, que se abrió el 7 de junio de 2001. Esta línea tiene 9 viaductos grandes, 16 corrientes y 8 túneles o falsos túneles, de los cuales los más importantes son el de la Galaure (2.686 m), Tartaiguille (2.340 m) y el túnel y falso túnel de Marsella (7.834 m, el más largo de la red francesa tras La Mancha) túneles de 100 m 2 de sección libre y 4,8 m de entrevía para 300 km/h y 63 m 2 libres para 230 km/h. Una fecha señalada para la alta velocidad fue el 17 de octubre del 2000 cuando circuló en fase de pruebas un TGV a 350 km/h por el túnel de Tartaiguille. Túnel del Canal de la Mancha El túnel del Canal de la Mancha o también llamado Eurotúnel, merece una atención especial. Tiene una longitud de 50,50 km, 39 de ellos submarinos, siendo así el segundo túnel submarino más largo del mundo, por detrás del túnel de Seikan. Fue abierto el 6 de mayo de 1994 y atraviesa el Canal de la Mancha, uniendo Francia con Inglaterra. RESUMEN DE TÚNELES FERROVIARIOS TRANSALPINOS Túnel Apert. Long. (km) Comentario Fréjus-Mont Cenis 1871 13,7 Ampliado Saint-Gothard 1882 15 - Saint-Gothard 2016 57 Nuevo túnel de base Ceneri 2019 15,4 Nuevo túnel de base Zimmerberg 20 Nuevo túnel de base Simplon I 1906 19,8 - Simplon II 1922 20 - Lötschberg 1913 14,6 - Lötschberg 2007 34,6 Nuevo túnel de base Brenner 2018 56 Nuevo túnel de base Lyon-Turin 2020 53,1 Nuevo túnel de base Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 17 Esencialmente se trata de una autopista rodante entre Inglaterra y Europa, ya que en los trenes que circulan hay más del doble de automovilistas que pasajeros. El servicio ferroviario por eurotunel tiene dos variantes: el Eurostar, para pasajeros y el Shuttle, que transporta camiones, automóviles y motos. Eurotunnel es una sociedad privada concesionaria del proyecto y gestiona el transporte ferroviario, cobrando peaje a las compañías ferroviarias que utilizan el túnel y explotando con sus propios medios el tráfico de camiones y pasajeros. El coste fue de 16.000 millones de euros. Las dificultades de coordinación entre empresas contratadas y subcontratadas y la dificultad técnica del proyecto elevaron considerablemente los costes. Figura 1.14. Situación del Canal de la Mancha. Fuente: [R] Alemania: El avance de la red ferroviaria de alta velocidad Alemana comenzó en abril de 1991 y 1992 con los tramos de nuevas vías Hannover-Wurzburg (327 km, 60 túneles con 121,6 km de longitud donde el túnel más importante es el Landrückentunnel de 10,8 km) y Mannheim-Stüttgart (92 km), donde los trenes están autorizados para circular a 280 km/h. Con ellos quedaban unidos por la alta velocidad Hamburgo, Hannover, Fulda, Frankfurt, Mannheim, Stüttgart y Munich. En 2002 se abrió la línea Colonia-Frankfurt, esta línea de Alta Velocidad fue la primera en Alemania en trafico exclusivo de pasajeros con los ICE-3, diferenciándose de las otras líneas alemanas que son de tráfico mixto. Esta línea tiene 30 túneles (6 falsos túneles y 23 de 150 m 2 de sección excavada de 13 m de altura y 12-15 m de ancho; 95 m 2 libres construidos con el NATM pero con pequeñas superficies de frente abierto, cuatro secciones, método patentado por la empresa austríaca ILF como vier-stollen), con un total de 47 km en túnel de los que el mayor es el Schulwald de 4,5 km de longitud y 165 m 2 de sección. % DE TÚNELES EN LAS LÍNEAS A.V. ALEMANAS Hannover Würzburg Hannover Berlín Colonia Frankfurt Nuremberg Ingolstadt Año apertura 1991 1998 2002 2007 Tipo tráfico Mixto Mixto Pasajeros Mixto Longitud (km) 327 263 177 89 Túneles, % de long. 35% 0% 19% 29% Tabla 1.7. % de túneles en las líneas A.V. alemanas. Fuente: elaboración propia [27]. Italia: Como país montañoso que es, Italia siempre a requerido la construcción de gran número de túneles en sus trazados. El tramo más espectacular es el cruce de los Apeninos de la línea de alta velocidad Florencia-Bolonia, de 78,5 km de los cuales 73,3 son túneles (Vaglia de 18,4 km, Firenzuola de 14,3 km, Raticosa de 10,4 km y Pianoro de10,3 km, entre otros, son algunos de los más destacados). Este tramo se encuentra abierto desde el 13 de diciembre de 2009. Todos los túneles se construyeron por el método ADECO-RS, del profesor Lunardi, que consiste básicamente en un NATM a plena sección con la estabilización del frente por medio de bulones Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 18 de fibra de vidrio inyectados y que ha llevado a unos avances mensuales muy bajos, similares a los de los túneles alpinos del siglo XIX. [27] 1.6.2.3. España España es uno de los países europeos con la orografía más adversa para la construcción de trazados. La península Ibérica presenta, a grandes rasgos una severa compartimentación en una serie de unidades casi estancas, que sólo se rompen puntualmente por algunos cauces fluviales que se convierten en ocasionales pasillos de comunicación. La Meseta Central es la unidad del relieve más extensa. La mayor parte de los sistemas montañosos de la España peninsular están en el borde la Meseta o fuera de ella. La dorsal montañosa del Sistema Central que separa las dos mesetas, la sierra de Guadarrama, los puertos de Pajares, Despeñaperros, y la conexión con Francia por los puertos Cantábricos y por el Pirineo Central, han sido siempre el quebradero de cabeza de los ingenieros españoles. Todo esto ha hecho que actualmente en España haya más de 1.700 túneles de ferrocarril, de distintos tipos, acumulando un total de más de 800 km de túnel y la mayor parte a una cota elevada con respecto a la mayoría de países europeos. Lógicamente los túneles más largos son los construidos últimamente, especialmente en las líneas de alta velocidad y en los tramos urbanos subterráneos. LÍNEAS DE FERROCARRIL CONVENCIONALES ESPAÑOLAS CON MÁS KM DE TÚNEL Líneas Long. Línea (km) Nº túneles Long. total túnel (m) % long. túnel Zamora a Coruña 453,2 185 77.236 17,0 Madrid-Chamartín a Barcelona (por Caspe) 677,7 130 49.337 7,3 León a Gijón 171,5 97 39.105 22,8 Baeza a Uriel 334,0 109 30.302 9,1 Madrid a Burgos 282,1 43 23.744 8,4 Madrid a Irán 641,1 57 22.295 3,5 Palencia a A Coruña 547,0 84 21.110 3,9 Red de Barcelona 24,3 4 19.915 82,0 Jerez de la Frontera a Almargen 120,0 56 16.439 13,7 Tabla 1.8. Líneas de ferrocarril convencional españolas con más km de túnel. Fuente: elaboración propia [17]. Tabla 1.9. % Cotas de túneles. Fuente: elaboración propia [17]. La primera línea de Alta Velocidad española fue la línea de Madrid a Sevilla, por Brazatortas. Se iniciaría su construcción en 1989 y se concluiría coincidiendo con la inauguración de la Exposición Universal de Sevilla en 1992. Esta línea de 471 km de longitud desarrolló una importante obra civil de viaductos y túneles en vía doble electrificada con ancho internacional. Después de esta importantísima línea que representó el revulsivo que tanto necesitaba el ferrocarril español en temas como la Alta Velocidad y la consolidación del ancho internacional (1.435 mm), actualmente se han construido y se están construyendo muchas más y de mayor importancia estratégica como: la línea de alta velocidad Madrid-Barcelona-Frontera Francesa, el corredor del Mediterráneo, el eje del Atlántico, etc. Actualmente en España tenemos 14 líneas de alta velocidad [A]. % COTAS DE TÚNELES Cota % Cotas túneles 0-500 53 501-1.000 30,8 1.001-1.250 12,3 1.251-1.500 3,7 >1.500 0,1 Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 19 En la tabla 1.10. mostramos algunas de ellas y en la figura 1.15. aparece el estado actual de cada una de ellas. % TÚNELES DE LÍNEAS ESPAÑOLAS DE ALTA VELOCIDAD Líneas Long. Línea (km) Nº túneles % long. túnel Túnel princ. long. túnel (m) Apertura Madrid-Puerta de Atocha a Sevilla 471,8 17 3,4 Piedras la Sal 2.568 1992 Madrid-Puerta de Atocha a Lleida 442 27 6,8 Paracuellos 4.791 2003 Madrid-Valladolid 179 11 45,7 Guadarrama (T.Este) 29.201 2007 Córdova - Málaga 155 8 16,4 Abdalajís (T.Oeste) 7.420 - Lleida-Frontera Francesa 362 18 4,2 La Riba 2.121 - Madrid-Galicia. Tramo MedinaSantiago 87,5 31 37,2 Burata 4.068 - Vitoria-Bilbao-San Sebastián. Tramo Vitoria-Bilbao 90,8 23 40 Albertia 4.786 - Madrid-Castilla la ManchaComunidad Valenciana-Región de Murcia 955 7 (MadridValencia) - Cabrera 7.250 2010 Tabla 1.10. % túneles de líneas españolas de alta velocidad. Fuente: elaboración propia [A], [17]. RED NACIONAL DE ALTA VELOCIDAD (2010) Figura 1.15. Red Nacional de Alta Velocidad en 2010. Fuente: [F] Sin duda alguna los túneles españoles más significativos hasta día de hoy son los de Guadarrama, con una longitud aproximada de 28,4 km en cada tubo y los túneles de Pajares con una longitud aproximada de 24,6 km en cada tubo. Estos dos túneles siguen la filosofía de los grandes túneles de base Transalpinos mencionados anteriormente. KILÓMETROS DE ALTA VELOCIDAD Líneas en servicio 2010 2.171 Km. Túneles en servicio 2010 303 % de túneles 14% Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 20 Los túneles de Guadarrama son una de las mayores obras de ingeniería ejecutadas en España y también del mundo. Se trata de los primeros túneles de alta velocidad construidos sin ataques intermedios, los cuartos más largos de Europa y los quintos del mundo. Estos túneles, que discurren entre los términos municipales de Miraflores de la Sierra y Segovia, constituyen la piedra angular de la línea de alta velocidad que conectará Madrid con Segovia y Valladolid. De ella también se beneficiarán las principales ciudades del norte y noroeste de España. Los Túneles de Pajares, recientemente finalizada su excavación, constituyen desde el punto de vista constructivo la actuación de mayor relevancia de todo el Corredor Norte-Noroeste de alta velocidad León-Asturias. Las dificultades orográficas, y morfológicas del macizo cantábrico han supuesto una enorme dificultad para la comunicación ferroviaria entre la meseta castellanoleonesa y el Principado de Asturias. La boca sur se encuentra ubicada en las proximidades de la Pola de Gordón (León) y la boca norte en la Pola de Lena (Asturias). Figura 1.16. Mapa de situación de los túneles de Pajares. Fuente: [42] Figura 1.17. Mapa de situación de los túneles de Guadarrama y San Pedro. Fuente: [42] En España también existen otros túneles recientemente construidos y de gran importancia como Le Perthus, de 8,2 km en la línea de alta velocidad Barcelona-Frontera Francesa; el de San Pedro de 8,8 km, que precede 5 km al de Guadarrama en dirección norte hacia Asturias y el de Abdalajis, de 7,3 km en la línea de alta velocidad Córdoba-Málaga. En un futuro cercano esta prevista la construcción de nuevos túneles de grandes longitudes como el túnel de base de Vignemale en el Pirineo central y el túnel submarino de Gibraltar. En el capítulo 7 apartado 7.5. se hablará de estos proyectos. 1.6.3. Los grandes túneles ferroviarios En la siguiente tabla 1.11., podemos encontrar información sobre los doce túneles que se han decidido estudiar y utilizar para la realización de esta tesina. Por sus características son una muestra representativa de la mayoría de grandes túneles que se han construido o están construyendo. Ya sea por sus dimensiones, significado o situación geográfica, creemos que son los que presentan un mayor interés. Del análisis de las experiencias recopiladas se han obtenido las conclusiones y recomendaciones pertinentes. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 21 TÚNELES FERROVIARIOS DE GRAN LONGITUD Nombre País Línea A.V. Acc. geogr. Long. (km) Vía Coste aprox. (M.∈ ∈∈ ∈) Apertura Saint-Gothard Suiza Zurich-Milán Alpes 57 VU 7.500 (2017) Lyon-Turín FranciaItalia Lyon-Turín Alpes 53,1 VU 7.800 (2023) Brenner AustriaItalia Nord-Europe Alpes 55 VU - (2015) Seikan Japón Estrecho Tsugaru (Vía estrecha) Estrecho Tsugaru 53,9 VD 2.588,1 1988 Canal de la Mancha (Eurotunnel) FranciaInglaterra Nord-Europe Canal de la Mancha 50,5 VU 16.000 1993 Lötschberg Suiza Berne-Turín o Milán Alpes 34,6 VU, VD 2.700 2007 Guadarrama España Madrid-SegoviaValladolid Sierra de Guadarrama 28,4 VU 1.128,8 2007 Pajares España León-Asturias Puerto de Pajares 24,6 VU 1.378,5 (2011) Ceneri Suiza Zurich-Milán Monte Ceneri 15,4 VU - (2019) San Pedro España Madrid-SegoviaValladolid Cerro de San Pedro 8,8 VU 270,3 2007 Le Perthus EspañaFrancia Barcelona-GironaFrancia Pirineos orientales 8,2 VU 944 2009 Abdalajís España Córdoba-Málaga Alpujárride, Maláguide y Penibética 7,3 VU 257,6 2007 Tabla 1.11. Túneles ferroviarios de gran longitud. Fuente: elaboración propia. 1.7. Las nuevas líneas de Alta Velocidad y sus efectos sobre el diseño de túneles 1.7.1. Introducción Casi dos décadas después de su último récord, el TGV vuelve a superar su marca de velocidad de 515 km/h alcanzada el 18 de Mayo de 1990. Esta vez, el TGV alcanzó una velocidad máxima de 574,8 km/h. El logro se desarrolló el 3 de Abril de 2007 a unos 200 kilómetros de París en una de las líneas más modernas de Francia, la que une Estrasburgo con la capital gala, concretamente, entre las estaciones de Lorena y Mease. [D]. Esto no solo ocurre en Francia, sino que se trata de algo a nivel global; en Japón, el 26 de Julio de 1996 el Shinkansen 300X superó los 443 km/h [V]. Como podemos ver el objetivo que persiguen los trenes de alta velocidad es el poder alcanzar cada vez mayores velocidades máximas y en consecuencia intentar consolidar velocidades de explotación también más elevadas. El concepto de Alta Velocidad es bastante impreciso, por lo que en este trabajo se considera lo expuesto en la Directiva 96/48/CE del consejo de la Unión Europea relativa a la interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad, donde se establece como límite inferior de la alta velocidad los 250 Km/h. Pero lo que realmente importa, es conocer la influencia de la velocidad sobre los elementos que componen la vía, ya que esta requiere la construcción de trazados cada vez más estrictos, tanto en el aspecto geométrico como en la calidad de sus infraestructuras. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 22 Las principales cuestiones a tener en cuenta al estudiar un trazado son: - Seguridad. - Rigidez del sistema. - Posibilidad técnica y medioambientales. - Economía de la solución. - Mantenimiento con coste aceptable. - Confort. 1.7.2. Limitaciones geométricas El que un tren pueda alcanzar altas velocidades requiere la construcción de trazados con radios generosos que permitan circular en curva de forma segura y confortable para los viajeros. También es necesario reducir al máximo las pendientes. Todas estas condiciones conllevan a trazados más tendidos que los que se venían realizando hasta ahora. Este tipo de trazados influyen directamente en el número y forma de las infraestructuras que conforman la vía, ya sean viaductos, túneles u otro tipo de obras de fábrica. Los parámetros a fijar al estudiar un trazado son [35]: Parámetros que afectan a la seguridad: - Radio. - Peralte. - Insuficiencia de peralte. - Aceleración lateral no compensada en el plano de la vía. - Variación del peralte en función de la longitud. - Velocidad. Parámetros que afectan al confort: - Variación del peralte en función del tiempo. - Variación de la insuficiencia en función del tiempo. - Longitud de curvas con radio constante. - Radios de curvas de un acuerdos vertical. En este apartado analizaremos las principales diferencias entre los trazados convencionales y los de alta velocidad. La configuración de una línea ferroviaria tiene dos aspectos fundamentales: las alineaciones en planta y en alzado. 1.7.2.1. Trazado en plata El trazado en planta se compone de las siguientes alineaciones: rectas, curvas y curvas de transición situadas entre éstas. Los trazados de las líneas de tráfico exclusivamente de trenes de viajeros y los trazados de las líneas de tráfico mixto son ligeramente diferentes. Los parámetros que caracterizan el trazado en planta de una línea ferroviaria son: • Radio mínimo de curva en planta: La velocidad de proyecto de una línea determina el valor de los radios mínimos en planta. Es necesario limitar el radio inferiormente debido a ciertos condicionantes: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 23 - Razones de seguridad debido a las fuerzas transversales que ejerce el vehículo sobre la vía y que tienden a desplazarla. - Razones de seguridad debido a la posibilidad de descarrilo o vuelco del vehículo ferroviario. - Razones de confort del viajero (es más sensible a las fuerzas variables en sentido transversal). El radio de curva mínimo de las vías se elige de tal forma que para el peralte de la curva considerada la insuficiencia de peralte no supere ciertos límites. RADIO MÍNIMO SEGÚN NORMATIVA RENFE Velocidad (Km/h) Ancho de vía (mm) Radio mínimo (m) 140 1.668 1.000 160 1.668 1.300 200 1.668 2.000 200 1.435 2.100 250 1.435 3.300 300 1.435 4.700 Tabla 1.12. Radios mínimos según normativa RENFE: NRV 0200, NVR 0201. Fuente: [35] El incremento de la velocidad de proyecto de nuevas líneas puestas en servicio estos últimos años o actualmente en construcción, ha hecho aumentar los radios. Un claro ejemplo de ello es la línea Madrid-Barcelona-Frontera Francesa, cuyo radio mínimo ronda en los 7.000 m, permitiendo circulaciones a 350 km/h. Los radios amplios favorecen el desarrollo de altas velocidades sin tener que recurrir a peraltes elevados, lo cual favorece enormemente la buena conservación de la plataforma ferroviaria, con la consiguiente reducción de los costes de explotación. Figura 1.18. Radios curvas horizontales normativa prENV 13803-1 y CEN . Fuente: [5] Los radios de las curvas habituales en los trazados de las líneas españolas son los siguientes: TIPO DE LÍNEA RADIO NORMAL (m) Línea convencional 1.000 – 4.000 Línea de alta velocidad 5.000 – 7.000 Tabla 1.13. Radios mínimos según normativa RENFE: NRV 0200, NVR 0201. Fuente: [35] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 24 Por otro lado, cabe destacar el hecho de que en las líneas en las que se admite la circulación de trenes de mercancías, el valor del peralte ha de limitarse (como se verá más adelante), por lo que el valor de la fuerza centrífuga aumenta resultando necesario adoptar unos valores de radios de curva en planta mayores. • Peralte máximo, Insuficiencia de peralte y Exceso de peralte: Otro parámetro importante en la construcción de una línea ferroviaria es el máximo peralte permitido en las curvas. El peralte se define como la diferencia de cota entre las superficies de rodadura de los dos carriles de una vía dentro de una misma sección normal a ella. En recta, el valor del peralte es nulo; en curva, el valor del peralte es constante e igual a un cierto valor. La curva de transición, entre la recta y la curva circular, permite una variación lineal del peralte a lo largo de la misma hasta alcanzar el valor del peralte en la curva circular. Las funciones del peralte son varias: - Compensación del efecto de la fuerza centrífuga en curva, proporcionar confort al viajero. - Mejor distribución de las cargas en ambos carriles. - Disminución del desgaste de los carriles y ruedas. Asimismo, se exigen ciertas limitaciones de peralte para tener un control sobre él. Las razones por las que ha de limitarse el peralte son las siguientes: los trenes lentos y, normalmente, pesados provocan desgastes importantes en el carril bajo si el peralte es excesivo, propiciando un indebido desgaste del carril y consecuente descarrilo; si un tren se detiene en una curva, el peralte podría provocar un desplazamiento de carga y un arranque dificultoso; el propio mantenimiento de un excesivo peralte se hace dificultoso. Se definen así los siguientes parámetros: - Peralte teórico: Es el obtenido por anulación de la fuerza centrífuga a la que se encuentra el vehículo al recorrer una curva a la velocidad de proyecto. - Peralte práctico: Peralte que realmente tiene la vía. - Insuficiencia de peralte: Diferencia entre el peralte teórico y el peralte práctico. Los trenes de viajeros, trenes rápidos, son los que circulan con insuficiencia de peralte, porque el peralte práctico sólo compensa una parte de la fuerza centrífuga. Dicho valor también se limita. La insuficiencia también está relacionada con el confort del viajero. Ésta es otra de las razones por la cual se limita su valor. - Exceso de peralte: Diferencia entre el peralte práctico y el peralte teórico. Los trenes de mercancías, trenes lentos, son los que circulan con exceso de peralte. Dicho valor también se limita por las razones expuestas anteriormente. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 25 A continuación se muestran dos tablas (1.14. y la 1.15.) en las que aparecen los valores límites de peralte e insuficiencia de peralte para líneas convencionales y Alta Velocidad: PERALTE (mm). VALORES LÍMITE Línea convencional 160 Nueva construcción 180 Explotación 190 Línea de alta velocidad Vía exclusiva tráfico viajeros 200 Tabla 1.14. Valores límite de peralte adoptados en líneas convencionales y de alta velocidad. Fuente: elaboración propia. INSUFICIENCIA DE PERALTE (mm). VALORES LÍMITE Línea convencional 115 250<V≤300 km/h 100 Línea de alta velocidad (*) V>300 km/h 60-80 Tabla 1.15. Valores límite de insuficiencia de peralte adoptados en líneas convencionales y de alta.(*) Vías corrientes y directas en aparatos. En caso de trenes de alta velocidad con sistemas de basculación podrán adoptarse valores de insuficiencia mayores. Fuente: Elaboración propia. • Aceleración sin compensar: La aceleración sin compensar es la aceleración transversal hacia el exterior de la curva que queda al peraltar una vía cuando se circula por ella a una velocidad. Se suele limitar esta aceleración sin compensar, tanto en líneas convencionales como de alta velocidad, en un valor de 0,65 m/s 2 , con lo que la insuficiencia de peralte resultante ronda los 100 mm. • Mínima longitud de transición en planta: La curva de transición en planta más adecuada es la clotoide. Este tipo de curva permite una variación lineal del peralte a lo largo de la misma para así entrar en la curva circular con el peralte deseado. Se exige una longitud mínima de la curva de transición a partir de la siguiente condición: L ≥ 8 a 10 VxH (1.1) V es la velocidad máxima de circulación, en km/h H es el peralte, en mm Esta condición puede ser utilizada tanto en líneas convencionales como de alta velocidad. • Máxima pendiente del diagrama de peraltes: Para líneas de alta velocidad, las Instrucciones y Recomendaciones para la Redacción de Proyectos de Plataforma de la antigua GIF recomienda, como valor normal, una pendiente del diagrama de peraltes de 0,5 mm/m para 250-350 km/h de velocidad máxima de circulación. La pendiente del diagrama de peraltes deberá ser menor a medida que la velocidad de circulación aumente. Para un mayor entendimiento del procedimiento por el cual se diseña el trazado en planta de una vía cuyo principal condicionante es el radio mínimo, se adjunta a continuación un pequeño esquema explicativo: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 32 mayor flexibilidad en los parámetros del trazado (curvaturas y pendientes), permitía limitar la excavación de los túneles a los macizos más abruptos que generalmente estaban constituidos por terrenos de buena calidad. 1.8. La importancia de la seguridad en los grandes túneles Los túneles son obras de carácter singular respecto al resto del trazado. Se trata de obras en que su espacio está limitado a la sección transversal, esto significa que no son accesibles desde cualquier punto y sus características físicas adquieren una gran relevancia en el grado de dificultad a la hora de resolver una emergencia en su interior, ya que el acceso de los servicios exteriores para realizar una evacuación rápida es más complejo. Por lo tanto es necesario que existan una serie de medidas mínimas obligatorias de seguridad que garanticen un nivel de riesgo aceptable. Existen conceptos básicos de seguridad, por encima de criterios de rentabilidad económica y social que deben garantizarse. Para poder llevar a cabo estas medidas se tienen que realizar estudios de seguridad del tipo cuantitativo y en especial del tipo cualitativo que garanticen la seguridad: - Durante la construcción. - Durante la explotación. Las medidas de seguridad en la fase de explotación requieren presupuestos más elevados y generalmente los accidentes que se producen en esta fase suelen ejercer un mayor grado de sensibilidad en la opinión pública, aunque existen excepciones como por ejemplo el accidente del Carmel en la L5 del metro de Barcelona en febrero de 2005, que al provocar el derrumbe del túnel la caída de varios edificios, se creo una gran alarma social. Los túneles de carretera son mucho más peligrosos en la fase de explotación que los ferroviarios ya que durante esta interviene directamente en el riesgo de accidente el conductor de cada vehículo (despistes, reflejos, sueño, drogas, alcohol, etc.). En el túnel ferroviario al circular el tren sobre raíles (fijándose su trazado), el riesgo en la fase de explotación desciende significativamente. Los túneles de carretera tienen condiciones de tráfico y de evacuación diferentes a los túneles ferroviarios, pero en algunos aspectos, como la situación de las salidas de emergencia, las medidas propuestas son similares. También en la fase de construcción las medidas adoptadas son iguales, pero si algo tienen en común es que su peor enemigo, en ambos casos, es el incendio. El accidente más grave que se puede producir en un túnel es el que provoca un incendio, ya que al estar las cavidades muy aisladas del exterior siempre presentan el problema de la dificultad de la eliminación del calor, el humo y las sobrepresiones, que se pueden generar durante el incendio. No es el fuego lo más peligroso de un incendio en un túnel sino el humo que se produce que puede matar a mucha más gente. Actualmente se están construyendo túneles de gran longitud y por lo tanto, si se produce un accidente en su interior, la distancia a recorrer de los pasajeros y servicios de emergencia hasta alcanzar la salida o acceder al lugar del accidente es muy elevado. Esto nos lleva a una importante conclusión: y los túneles a doble vía son más peligrosos que los túneles a vía única con interconexiones, pues en éstos se puede producir una más rápida evacuación a través del túnel de circulación adyacente (túnel seguro) al que esté en situación de emergencia. Esto se ha aplicado en el Eurotúnel, añadiendo además un tercer túnel de servicio intermedio entre los dos tubos principales (ver sección en el apartado 2.8.2 del capítulo 2). Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 33 Las diferentes medidas de seguridad a adoptar en los túneles pueden ser clasificadas según su función, habiendo las que intentan evitar que se produzca un accidente; las que intentan reducir el daño producido por un accidente; las que facilitan la protección civil de los pasajeros y trabajadores y las que facilitan el acceso de los servicios de emergencia exteriores. 1.8.1. Normativas de seguridad La normativa de seguridad que consideraremos en este trabajo es la que se utiliza en el diseño de los túneles españoles y europeos: - Especificación técnica de interoperabilidad sobre seguridad en los túneles en los sistemas ferroviarios transeuropeos convencional y de alta velocidad (2008/163/CE) - Norma técnica IOS 98 que se aplica en España. - Norma técnica complementaria a la IOS 98 de aplicación en Barcelona. - Medidas de seguridad en nuevos túneles ferroviarios. Protección civil RENFE (2000) - Normativa Francesa del CETU. La Normativa Francesa es la más restrictiva y completa de cuantas se aplican en Europa en la actualidad, ya que este organismo el CETU (Centre d'études des tunnels), es el que más medios destina al estudio de seguridad en túneles. 1.9. Diferencias de los túneles ferroviarios de gran longitud Un túnel de gran longitud como los túneles de base o los grandes túneles submarinos, no tiene las mismas características que las de un simple túnel corto, sino que el conjunto de todas sus infraestructuras forman un gran complejo subterráneo necesario para la explotación adecuada de este; por lo tanto no se puede proyectar con los mismos criterios con que se proyecta un túnel corto. No existe una frontera definida entre un túnel largo y uno de gran longitud ya que a partir de cierta longitud ambos requieren de un diseño muy similar. Según la Norma de Seguridad en Túneles Ferroviarios considera que los túneles cortos son los < 1 km, los largos > 5 km y los de gran longitud > 10 km. Las diferencias entre un túnel corto y uno de gran longitud se refieren fundamentalmente a los siguientes aspectos: Figura 1.23. Túnel ferroviario de gran longitud Figura 1.24. Túnel corto con doble vía . Fuente: [S] (Guadarrama). Fuente: [I] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Introducción y objetivos - 34 PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE UN TÚNEL DE GRAN LONGITUD Y UNO CORTO Túnel de gran longitud > 10 km Túnel corto < 1 km Planificación y trazado - Mayor tiempo y dificultad de planificación: del trazado y la ejecución de obra. - Evitar terrenos geotecnicamente complicados. - Favorecer la construcción de accesos intermedios. - Menor tiempo y dificultad de planificación: del trazado y la ejecución de obra. - En general no será necesaria la construcción de accesos intermedios. Estudios: geológicos, hidrogeológicos, geotécnicos y estructurales - Pueden surgir problemas al tener grandes coberteras sobre el túnel. - Mayor volumen de estudios, más difíciles de realizar y requieren de un mayor grado de detalle, revisión y modificado. - Sistemas de drenaje de aguas más complejos. - Se atraviesan todo tipo de fallas, formaciones geológicas, acuíferos, distintos niveles freáticos, etc. - En general las zonas más complejas de realizar son los emboquilles. - Menor volumen de estudios y más sencillos de realizar. - Sistemas de drenaje de aguas sencillos. Métodos Constructivos - Para conseguir plazos y costes razonables utilización de tuneladoras en los tubos principales. También frecuente necesidad de accesos intermedios (galerías y pozos). - Utilización de métodos tradicionales en las galerías de seguridad, cavernas, etc. - Diferentes frentes de ataque simultáneamente, para poder cumplir plazos y costes. - Utilización de métodos tradicionales. - En general un solo frente de ataque y condicionamiento del otro emboquille para el cale. Seguridad - Por razones de seguridad en general el túnel será bitubo con galerías perpendiculares cada cierta distancia, cavernas y nichos. - Complejos sistemas de seguridad: ventilación, iluminación, comunicación, señalización, puertas cortafuegos, hidrantes, etc. - Necesidad de galerías y pozos de evacuación en distintos puntos del trazado. - Estudios de seguridad durante la construcción y de forma especial durante la explotación. También de los servicios de emergencias (simulacros). - En general el túnel será monotubo. - Sistemas de seguridad más sencillos sobre todo en la ventilación e hidrantes. - Cada cierta distancia construcción de nichos. - Estudios más sencillos de seguridad durante la construcción y durante la explotación. Obras subterráneas adicionales - Se requiere estudios y ensayos de funcionalidad y eficiencia del complejo subterráneo: refugios, galerías de evacuación, estaciones de ventilación, PAET, PIB, etc. - En general ninguna o muy pocas. Sección del túnel - En general sección circular. - Dimensionada con criterios aerodinámicos para la alta velocidad, y con espacio suficiente para alojar las rutas de evacuación, ubicación de instalaciones, etc. - En general sección en herradura. - Dimensionada con criterios aerodinámicos para la alta velocidad, y con espacio suficiente para alojar las rutas de evacuación, ubicación de instalaciones, etc. Ventilación - Equipos y estaciones de ventilación necesarios en condiciones normales de explotación y especialmente en caso de incendio. - Equipos de ventilación especialmente en caso de incendio. - Normalmente es suficiente con el efecto pistón en condiciones normales de explotación. Equipamientos exteriores - Requiere equipamientos en el exterior como: estación ferroviaria próxima, accesos por carretera, centro de control, helipuerto, etc. - Acceso por carretera, para el mantenimiento y evacuación y asistencia del pasaje en caso de accidente. Afectación al Medio Ambiente - Gran superficie necesaria para las instalaciones de obra y elevados costes de restauración de estas. - Gran volumen de vertederos. - Problemas con los lixiviados y requiere balsas decantación de lodos bentoníticos y espumas. - Balsas de decantación de lodos bentoníticos. - Costes reducidos en la restauración de explanada de obras. Plazos y Costes - Mayor grado de dificultad para precisar los plazos con relativa exactitud. - Riego de que aumenten mucho los costes planificados, en caso de producirse algún problema imprevisto de cierta importancia. - En general resulta más sencillos precisar los plazos y costes con relativa exactitud. Tabla 1.20. Principales diferencias entre un túnel de gran longitud y uno corto. Fuente: elaboración propia. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 35 Capítulo 2. CRITERIOS DE DISEÑO DE LOS TÚNELES FERROVIARIOS DE ALTA VELOCIDAD 2.1. Introducción El incremento de velocidad llevado a cabo en el proceso de modernización de ciertos corredores ferroviarios, puso de manifiesto un problema que hasta ese momento era imperceptible; concretamente en los años 60 en Japón (línea de alta velocidad Tokio-Osaka) y principio de los años 70 en corredores europeos, al constatarse que algunos viajeros experimentaban en sus oídos sensaciones desagradables llegando incluso al dolor al paso por los túneles, lo que obligó a reducir la velocidad al paso por estos. Eran las primeras constataciones de la necesidad de profundizar en el campo de la física y su aplicación al ferrocarril. Esto se llevó a cabo con el estudio de la aerodinámica. Esta situación, así como la ya existente planificación de futuras líneas de alta velocidad con existencia de túneles, llevó a la Unión Internacional de Ferrocarriles (U.I.C.) a aprobar la realización de los pertinentes estudios. En posteriores estudios, y a raíz del aumento en la longitud de los túneles debido a la construcción de túneles de base, se observo que en túneles de una cierta longitud ( > 5 Km) la fricción tren-aire-túnel absorbe gran parte de la potencia del tren y la velocidad disminuye enormemente si el diámetro del túnel es pequeño. 2.2. Fenómenos aerodinámicos Los efectos aerodinámicos se traducen en incrementos de presión en el interior de los túneles, y ejercen influencia, por un lado, sobre las solicitaciones a las que se ve sometido el material rodante y, por otro, sobre el confort de los viajeros y la seguridad del personal que trabaja en los túneles. Por este motivo, el estudio de estos fenómenos en los túneles se centra en dos aspectos. 1. Cuantificación de las máximas variaciones de presión que tienen lugar durante la circulación de los vehículos. Aspecto relacionado con el confort de los viajeros. 2. Determinación de las resistencias al avance en el interior de los túneles. Aspecto relacionado con las solicitaciones sobre el material rodante. La magnitud de los fenómenos aerodinámicos depende del valor que adopta la sección transversal útil del túnel, siendo aquella menos intensa cuanto mayor sea ésta. En general, es el confort del viajero el que condiciona la definición de la sección transversal útil. Sin embargo, un factor que es preciso considerar, dada su importancia, es el incremento de resistencia al avance que se origina, y que condicionará la potencia necesaria para hacer posible la circulación ferroviaria. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 36 Descripción del fenómeno (Ondas compresivas y expansivas) El movimiento de un tren en el interior de un túnel se puede comparar, de forma simple, a un pistón en un cilindro. Se produce una presión aumentada (o sobre presión) delante y una reducida (o depresión) en la parte posterior, con el resultado de un movimiento del aire de delante hacia atrás, a través del anillo que queda entre el tren y el túnel. De una forma más detallada podemos decir que: cuando la cabeza de un tren entra en un túnel, el aire que se encuentra a la entrada es comprimido creando una onda de presión que se propaga a lo largo del mismo a la velocidad del sonido (~340 m/s). Esta onda, al llegar a la boca de salida del túnel, se refleja como onda de depresión en dirección contraria, volviendo hacia la boca de entrada. A medida que el tren entra en el túnel, tiene lugar un aumento progresivo de la presión delante del tren, que alcanzará su nivel máximo, en los túneles largos, cuando se produzca la entrada de la cola del tren. Por otra parte, cuando la cola entra en el túnel, se produce una caída de presión (onda de depresión) que también se propaga hacia la cabeza del tren a la velocidad del sonido, y rebotando en la boca de salida. (véase figuras 2.1. y 2.3). Este fenómeno se repite hasta que las ondas son amortiguadas totalmente. Figuras 2.1. y 2.2. Visualización del proceso de variación de presiones en el interior de un túnel Fuente: [22] Figura 2.4. Depresión producida por el efecto venturi. Fuente: [44] Figura 2.3. Registro de presión a la altura del morro de la locomotora de cabeza. Fuente: [44] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 37 Dicho de otro modo, la mayor parte del aire se escapa entre el tren y las paredes del túnel bajo la acción del gradiente de presión que se genera. La máxima presión alcanzada dependerá de diversos factores relacionados con el tren y el túnel. Los principales factores relacionados con el tren son: - Velocidad: Cuanto mayor es ésta, mayor es la fuerza del flujo de aire. - Sección transversal: Cuanto mayor es ésta, mayor es el bloqueo que el tren ejerce en el túnel. Para tener en cuenta este aspecto, se define el Coeficiente de Bloqueo ( α ) como el cociente entre la sección transversal del tren y la sección transversal útil del túnel, entendiendo esta última como la que queda para la circulación de los convoyes y las instalaciones. Cuanto menor es ( α ), mayor es el espacio entre el tren y las paredes del túnel, y menor es el incremento de presión que se produce en el interior del mismo. - Forma de la cabeza y superficie transversal del tren: Con el fin de reducir la resistencia al avance se buscan formas de vehículos favorables desde un punto de vista aerodinámico. - Longitud y rugosidad de la superficie del tren: Cuanto mayor es la longitud del tren y la rugosidad de su superficie, mayor es la resistencia al avance y la potencia necesaria para mantener la velocidad en el interior del túnel. La mínima presión alcanzada en la fase expansiva depende de la brusquedad de introducción en el túnel de la locomotora de cola. Si la longitud del tren es tal, que esta onda de depresión alcanza al tren en el momento en que llega a él también la caída de presión provocada por la entrada de la cola en el túnel, los dos valores de depresión se suman, provocando el efecto máximo. La primera onda (primaria o fundamental) es sin embargo mucho más importante que la segunda. Los principales factores relacionados con el túnel son: - Sección transversal: Cuanto mayor es la sección del túnel menor es ( α ) y mejores las condiciones aerodinámicas que se dan. En túneles de sección normal o reducida, particularmente a altas velocidades, los incrementos de presión afectan a los viajeros, y las altas velocidades del flujo de aire pueden ser peligrosas para los trabajadores del túnel. - Longitud: En un túnel largo, una vez que el tren ha entrado por completo, se produce una variación estacionaria, o mejor dicho cuasi-estacionaria, del flujo de aire y de las presiones a través del túnel. En túneles cortos los flujos pueden no ser estacionarios a todo lo largo. La progresión hacia un régimen cuasi-estacionario en túneles largos proviene de la tendencia de las fluctuaciones de presión y velocidad a resultar atenuadas por el rozamiento. En túneles nuevos de alta velocidad cuya longitud supere los 10 km, la resistencia en su interior alcanza valores próximos al doble de los encontrados en el exterior. - Discontinuidad en la sección del túnel: Este hecho da lugar a flujos no estacionarios. - Rugosidad de las paredes: Limita el movimiento del flujo de aire en las paredes del túnel, aumentando sustancialmente el arrastre aerodinámico del tren comparado con el que se produce a cielo abierto. Puede constituir más del 90 % de la resistencia total. Hay que decir también que los parámetros relacionados con la explotación como: Velocidad del tren y, en el caso de cruces con otros trenes, velocidades de otros trenes y desfase entre la entrada de cada uno de ellos, y las condiciones del aire: densidad, humedad, etc. también afectaran a los fenómenos aerodinámicos. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 38 Resistencia aerodinámica La resistencia aerodinámica durante la circulación interior es máxima entre la fase de entrada y el encuentro con la onda rebotada en el extremo opuesto del túnel. En el caso de un túnel de doble vía la complejidad se puede incrementar por la existencia de un segundo tren en sentido contrario, hay dos situaciones que pueden presentarse normalmente: - Que uno de los trenes se encuentre parado. - Que los dos trenes estén en movimiento. En ambos casos la curva de presiones reproduce los fenómenos anteriormente explicados, pero cuando los dos vehículos están en movimiento el estudio se complica mucho más. Cuando un vehículo se encuentra parado, diversas situaciones pueden suponerse, destacando dos de ellas: 1. Que el vehículo detenido se encuentre lejos de la entrada del túnel por donde se acercará el otro tren. 2. Que el vehículo detenido se encuentre cerca de la entrada del túnel, de tal forma que la onda provocada por la entrada del tren A se refleje en el tren B y alcance la cabeza A, antes que la onda provocada por la entrada de la cola del tren A alcance la cabeza de éste. Los distintos estudios llevados a cabo han puesto de manifiesto que las mayores caídas de presión se producen en la segunda de las situaciones indicadas. En general, se caracterizan estos problemas mediante el Coeficiente de Bloqueo ( α ). Cuanto menor es el coeficiente de bloqueo más confortable resultará el viaje para los usuarios. At Ao = α (2.1.) α coeficiente de bloqueo geométrico. Ao área de la sección transversal del tren (AVE: coche 8 m 2 ; 2 pisos: 11 m 2 ). At área de la sección del túnel. Como órdenes de magnitud, los valores usuales en líneas convencionales y de alta velocidad de coeficiente de bloqueo, para vía doble, son de 0,25 y 0,19 respectivamente. Figura 2.5. Variación de presión delante del tren con la velocidad de circulación y el coeficiente de bloqueo. Fuente: [22] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 39 En la figura 2.5. se observa claramente que los incrementos de presión delante del tren aumentan de manera exponencial con la velocidad y empiezan a ser importantes a partir de los 200-250 km/h. Se deduce entonces a partir de esta gráfica que los túneles ferroviarios en líneas convencionales se verán sometidos a variaciones de presión casi inapreciables, aun teniendo un coeficiente de bloqueo alto, pero en líneas de alta velocidad el coeficiente de bloqueo adquiere una gran importancia. 2.3. Criterios de diseño para la selección del diámetro de túnel La selección del diámetro de un túnel en fase de diseño determina los volúmenes de la excavación y del revestimiento, es decir, los costes más significativos en la construcción, por lo que su correcta elección será de vital importancia. Su elección va a verse afectada, por un lado (acotación máxima), por consideraciones económicas y de factibilidad técnica, y por otro lado (acotación mínima), por su efecto sobre los fenómenos físicos indeseables que aparecen asociados al paso del tren por el interior del túnel. También hay que dar cabida a todas las instalaciones necesarias y por supuesto cumplir con el gálibo. Respecto a los fenómenos fluidodinámicos, la mínima sección libre del túnel resultará determinada a partir de las dos consideraciones siguientes: 2.3.1. Evolución de las presiones en el interior del tren El criterio del confort de los pasajeros determina una cota mínima para la sección del túnel, que es una función de la sección y velocidad del tren, y de la longitud del propio túnel, así como el grado de estanqueidad de los coches. En el caso de coches completamente estancos, las limitaciones podrían provenir desde el punto de vista estructural del propio tren: presiones en las ventanillas o, por ejemplo, fenómenos de fatiga de los materiales. La medida del confort se establece sobre la percepción fisiológica y subjetiva del desagrado provocado por la presencia de los cambios de presión y su duración. La expresión al uso, resultado de estudios estadísticos es de la forma siguiente: SeTdGcPbadisplacer ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + = (2.2.) P es el cambio de la presión. G el gradiente temporal de la presión. T la duración del cambio. S el signo de la variación de presión. Los cambios de presión en el exterior del tren, asociados a las ondas, se transmiten al interior de los coches a través de las fugas, y en particular del sistema de acondicionamiento. No existe una definición estándar de la estanqueidad de un vehículo, lo que si existen son dos formas de obtener distintos coeficientes de estanqueidad. Estos dos tipos, son el coeficiente de estanqueidad estático y el coeficiente de estanqueidad dinámico. Es el dinámico el coeficiente de estanqueidad que verdaderamente describe las fluctuaciones de presiones externas e internas. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 40 Coeficiente de estanqueidad estático est τ : Una forma indirecta de cuantificar la estanqueidad consiste en efectuar un ensayo que permita apreciar la variación de la presión con el paso del tiempo en el interior del vehículo. En primer lugar se inyecta aire a presión en la caja del vehículo hasta alcanzar un valor determinado. A continuación y por medio de un captador de presión instalado en el centro del vehículo, se observa la variación de la presión en el interior del vehículo con el tiempo. De acuerdo con Gawthorpe (1991), la ley de variación de la presión con el tiempo responde a la ecuación:        −= −t inicialt est ePP τ 1 (2.3.) t P Presión en el interior del coche al cabo de t segundos. est τ Coeficiente de estanqueidad estático. El citado autor señala los siguientes órdenes de magnitud para est τ Vehículos convencionales (seg.) Trenes de alta velocidad con mayor estanqueidad (seg.) 0,4 a 0,8 3 a 8 Tabla 2.1. Órdenes de magnitud de coeficientes de estanqueidad estáticos en vehículos ferroviarios. A mayor coeficiente, mayor tiempo en sufrir un cambio de presión. Fuente: [22] Cuanto mayor sea el coeficiente de estanqueidad, mayor será la estanqueidad del vehículo. Coeficiente de estanqueidad dinámico din τ : Como habíamos comentado anteriormente, el fenómeno que realmente tiene lugar es que el coche de viajeros se ve sometido a un incremento de presión en el exterior del mismo (variable a medida que avanza en el interior del túnel) y que se desplaza hacia el interior del vehículo.        −= − din t exteriorerior ePP τ 1 int (2.4.) din τ coeficiente de estanqueidad dinámico, es siempre positivo y varia de 0 a ∞ , siendo 0 para un tren completamente no estanco y ∞ para un tren ideal, perfectamente aislado. Los órdenes de magnitud obtenidos son los que aparecen en la tabla 2.1. Determinar la estanqueidad por este método resulta más complejo y requiere equipos de medida más sofisticados, pero los resultados obtenidos son más precisos. El Criterio de Confort se establece fijando el par de valores (P, t), y una velocidad de paso especificada determinaría el diámetro del túnel. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 41 Debe señalarse tanto la subjetividad del procedimiento, como la incertidumbre sobre la estanqueidad de un vehículo determinado. Es evidente por tanto, que estos criterios deben aplicarse de un modo conservador. En las Recomendaciones para dimensionar túneles ferroviarios por efectos aerodinámicos de presión sobre viajeros, del Ministerio de Fomento [34], encontramos los siguientes valores para trenes alta velocidad carenados y estancos: TIPO VÍA Máxima variación admisible de presión durante el periodo de tránsito del tren en el túnel [Dp(T)] (Kpa) Máxima variación de presión recomendada en n segundos [Dp(T)] VÍA ÚNICA 2 Dp(1)=0,7 Dp(3)=1,0 Dp(10)=1,4 VÍA DOBLE 1,5 Dp(1)=0,5 Dp(3)=0,8 Dp(10)=1,0 Tabla 2.2. Criterios de confort para trenes de alta velocidad carenados y estancos estancos. Fuente: [39] Criterios de salud y escenario de seguridad y confort El análisis de dichos fenómenos tiene como objeto cuantificar no sólo las máximas variaciones de presión que tienen lugar, sino también las velocidades de estos cambios de presión. Los criterios que derivan de este análisis son, respectivamente, el criterio de salud y el criterio de confort del viajero. Hay que tener en cuenta que la tecnología del material rodante también ha mejorado con el incremento de la velocidad. En el tema en cuestión es interesante conocer el estado de los vehículos en cuanto a estanqueidad se refiere. A partir de ciertas velocidades, teniendo en cuenta un tren no estanco, las secciones necesarias para obtener unas variaciones de presión admisibles para los criterios de confort recomendables son muy grandes y, por tanto, tremendamente costosas. Sin embargo, para alta y muy alta velocidad las líneas son explotadas con trenes estancos (véase tabla 2.2), resolviendo así una parte del problema. Cabe señalar que los trenes no son completamente estancos sino que poseen un alto grado de estanqueidad y que al ser ésta un parámetro de tiempo, los trenes estancos pierden parte de su eficacia en los túneles de gran longitud. Tabla 2.3. Órdenes de magnitud de coeficientes de estanqueidad en vehículos ferroviarios. A mayor coeficiente, mayor tiempo en sufrir un cambio de presión. Fuente: [22] Coeficiente de estanqueidad Tipo de tren Coef. estanqueidad dinámico (seg.) Tren convencional moderno sin ningún sistema de estanqueidad activa >0,5 Tren de baja estanqueidad ≈2 Tren AVE ≈4,5 Tren de estanqueidad alta >6 Tren de muy alta estanqueidad (por ejemplo, el ICE 3) ≈12 Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 48 2.5. Actuaciones y mejoras Se han estudiado y llevado a cabo ciertas actuaciones y mejoras en el diseño de los trenes y túneles destinados a circulaciones a altas velocidades. [39], [48] Respecto a los trenes - Nuevos y más sofisticados sistemas de presurización en los coches, garantizando mayores niveles de estanqueidad. - Diseños aerodinámicos, sobre todo en las locomotoras delantera y trasera. - Mejora de las separaciones de los vagones (juntas elastoméricas) y en general en la rugosidad de toda la superficie exterior. - Mejoras en general en todo lo referente a mecánicas de tracción, suspensión, potencia desarrolladas / consumos de energías, etc. Respecto a los túneles Variando la sección transversal: - Optimización de la sección del túnel a partir del adecuado Coeficiente de Bloqueo, resultado de análisis en función del criterio de salud (Ábaco UIC, véase figura 2.9.) y de los resultados del efecto de rozamiento. - Proyectar dos tubos independientes uno para cada dirección. Métodos alternativos sin variar la sección transversal: Estas formas de disminuir las sobrepresiones en los túneles, pueden considerarse como alternativas al incremento de su sección transversal, y pueden resultar de interés en los siguientes casos: - En líneas ya existentes en las que se quiere aumentar la velocidad de los trenes pero en las que el incremento de la sección transversal no resulta viable. - En las líneas en estudio en las que resulte económicamente ventajoso mantener la sección mínima necesaria y reducir las sobre presiones por alguno de estos métodos. Algunos de los métodos alternativos son los siguientes: - Boquillas abocinadas o perforadas: Boquillas abocinadas a la entrada: El caso base considerado tiene una longitud de 300 m (longitudes menores no tienen eficacia sensible en el confort de los viajeros), sección del túnel de 60 m 2 y una sección máxima de abocinamiento de 120 m 2 . El estudio paramétrico perfila unas tendencias que se pueden sintetizar en: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 49 - La efectividad del método aumenta al aumentar los ratios de longitudes y secciones (túnel/abocinamiento) - El área se debe reducir más lentamente cerca de la boquilla - El método es menos eficaz según se incrementa la velocidad Los Beneficios obtenidos en los casos analizados fluctúan entre 29 y el 37%. Boquillas perforadas a la entrada: Como en el caso anterior, la atención se centró en zonas perforadas de gran longitud (300 m) para que tuvieran influencia sensible en el confort del viajero. Del estudio se deducen las siguientes tendencias: - La efectividad del método aumenta con la longitud tratada. - Existe un valor óptimo de la sección perforada, un incremento o disminución de la misma empeora el resultado. - El método es menos eficaz según se incrementa la velocidad del tren. Los Beneficios obtenidos en los casos analizados fluctúan alrededor del 10%. Boquillas abocinadas o perforadas a la salida: La razón para haber diferenciado el análisis de los métodos según estén situados a la entrada o a la salida, se debe a que el proceso físico responsable de los hipotéticos beneficios es distinto. En este caso, los beneficios para abocinamientos internos, y para boquillas perforadas internas y externas (que incrementan la longitud del túnel) son aproximadamente 5%, 19% y 14% respectivamente. No se considera la cuarta posibilidad, abocinamiento externo, al no presentar ningún beneficio. - Utilización de chimeneas: La utilización de chimeneas es el método más extendido. La razón es el atractivo teórico que presenta el método al tener un potencial grande en la modificación de las historias de presión. Esta influencia se produce de dos maneras. La primera fragmentando las ondas de presión suministrando rutas alternativas a la propagación de las mismas. La segunda se produce al forzar las chimeneas la migración de las presiones hacia la presión atmosférica. Del estudio se deducen las siguientes tendencias: - Las chimeneas en la primera mitad del túnel son más eficaces que en la segunda mitad. - Las chimeneas no deben estar muy cerca de las boquillas. - La efectividad tiende a aumentar cuando el área total de las chimeneas es del orden del 50% al 75% de la sección del túnel. - En vía única, el área óptima de las chimeneas está entre el 10% y el 20%. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 50 En un estudio realizado, se obtuvieron los siguientes resultados [48]: En el caso básico considerado, la longitud de las chimeneas se ha tomado de 30 m, con una sección total de chimeneas del 20% de la sección del túnel. En túneles de vía única se han considerado configuraciones de 1, 2 y 3 chimeneas distribuidas uniformemente a lo largo del túnel, siendo 1, 3 y 5 en túneles con vía doble. Los beneficios medios obtenidos en el primer caso son de 34%, 40% y 46%, y en le segundo caso de 42%, 59% y 61% respectivamente. - Conexiones transversales entre túneles independientes: en este caso sólo se producen disminuciones sensibles de las sobrepresiones en las situaciones de circulación de un solo tren por uno de los dos túneles. - Construcción de un muro de separación poroso entre vías. - Creación de resistencias locales en las boquillas de salida. - Galerías de ventilación, naturales o forzadas. - Reducir la rugosidad del revestimiento al máximo y eliminar todas las discontinuidades posibles. Como última alternativa solo restará la disminución de la velocidad del tren al pasar por el túnel, medida extrema que se intenta evitar con todo lo aquí explicado. Figura 2.10. Tren presurizado Shinkansen Serie 500. Fuente: [G]. 2.6. Parámetros geométricos En este apartado analizaremos los parámetros geométricos que se requieren para la correcta circulación de los trenes por el túnel. 2.6.1. Dimensiones requeridas para la circulación 2.6.1.1. Gálibos Se denomina gálibo ferroviario al perfil que en cualquier circunstancia, debe quedar libre de todo obstáculo para permitir el libre paso de las circulaciones a lo largo de una línea de Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 51 ferrocarril. Este perfil tiene una forma en general compleja, y sus dimensiones están impuestas por varios condicionantes principales, como: el tipo de vehículo y vía, y el trazado de la zona. De esta forma aparecen los distintos tipos de gálibo: galibo de material motor, galibo de material remolcado, galibo de puentes, galibo de túneles, etc. Como es lógico, en el caso de los puentes y los túneles, así como de cualquier estructura próxima a la vía, el gálibo tiene una importancia fundamental para que no se produzcan accidentes. El gálibo se convierte de esta forma en uno de los aspectos más importantes de la seguridad y capacidad ferroviaria. El problema de la insuficiencia de gálibo se pone de manifiesto a medida pasa el tiempo y van aumentando las velocidades de circulación, la flexibilidad de las suspensiones de los vehículos y el aumento del volumen de la carga (grandes contenedores y camiones), ya que las líneas antiguas se diseñaban con otros parámetros: velocidades de circulación bajas, curvas de pequeño radio, y unas fuertes limitaciones técnicas en la construcción de obras de fábrica y túneles que no permitían grandes luces. Este hecho hace que en muchos tramos, especialmente en los túneles de las líneas convencionales (ferrocarriles británicos), sea prácticamente imposible mantener unas velocidades dentro del intervalo que requiere una explotación ferroviaria moderna. En 1973 la UIC (Union Internationale des Chemis de Fer) definió tres tipos de gálibos, designados por las letras A, B y C ver figura 2.11. Las diferencia entre ellos radica en la posibilidad de transportar mercancías diferentes, ver tabla 2.8. Con posterioridad, los ferrocarriles franceses definieron el gálibo B+, que con relación al gálibo B permite el transporte de cajas móviles de 2,6 m de ancho por 3 m de alto y semiremolques sobre vagones poche de 2,6 X 3,9 m. Este gálibo B+, conocido en el resto de Europa como B1, es el más pequeño que permite transportar camiones de 4 m de alto; Aunque, no exento de dificultades, requiere utilizar técnicas en los vagones de carga como el route roulante (vagones con ruedas pequeñas) o el Modalohr (ruedas grandes pero piso del vagón rebajado) para poder realizar el transporte. Este gálibo, con la ayuda de estas técnicas, ha hecho posible la circulación de camiones grandes por los antiguos túneles ferroviarios transalpinos. El ferrocarril Español, al tener el ancho de vía distinto, definió una adaptación del gálibo C, reconocido por la designación C’. Para las líneas de nueva construcción se dispone del gálibo C, y para aquellas líneas donde este previsto una explotación de tráfico mixto (alta velocidad en viajeros y trenes de mercancías), se dispone un gálibo superior [autopista ferroviaria (AF)] permitiendo el transporte de camiones sobre vagones convencionales, ver figura 2.12. CARACTERÍSTICAS Y POSIBILIDADES DE CARGA DE LOS GÁLIBOS A, B Y C Gálibo Ancho y alto del gálibo (m) Posibilidades de carga Ancho y alto del carga (m) A 3,15 X 4,32 Grandes contenedores sobre vagones portacontenedores. Semiremolques sobre vagones poche. 2,44 X 2,61 2,50 X 3,57 B 3,15 X 4,32 Cajas móviles sobre vagones porta-contenedores normales. Semiremolques sobre vagones poche. 2,50 X 2,90 2,50 X 3,57 C 3,15 X 4,65 Semiremolques y camiones con gálibo de carretera sobre vagones rebajados. 2,50 X 3,80 2,60 X 4,00 Tabla 2.8. Características y posibilidades de carga de los gálibos A, B y C. Fuente: [22]. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 52 Figura 2.11. Gálibo de carga A, B y C. Fuente: [22]. Figura 2.12. Gálibo de autopista ferroviaria. Fuente: [22]. 2.6.1.2. Dimensiones del material rodante Del análisis de la longitud de los trenes modernos de alta velocidad, se deduce que la gran mayoría de los que existen y se construyen, tienen longitudes en el entorno de los 200 m, siendo menos frecuentes los de 100 y 400 m. La sección transversal de este tipo de trenes varía. Antiguamente los primeros trenes de alta velocidad como el JR Serie 0 o el JR 100 tenían secciones mayores que las actuales, del orden de 13,5 m 2 , con el paso del tiempo y la adquisición de más conocimientos sobre la aerodinámica, estas secciones se han ido reduciendo. Actualmente las secciones oscilan en general, entre los 8 y 10 m 2 , aunque ocasionalmente se utilizan unidades de 2 pisos que tienen entre 11 y 12 m 2 . Por otro lado, la sección máxima de explotación es de 12 m 2 , según lo definido en las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad para el material rodante. SECCIÓN TRANSVERSAL TREN Administración Tren Sección (m 2 ) SNCF TGV 9 JNR HIKARI 12 FS ETR 10 DB ICE 10,5 RENFE AVE 9 Tabla 2.9. Secciones transversales de trenes de alta velocidad. Fuente: elaboración propia Figura 2.13. Sección transversal comparada del HIKARI y el TGV. Fuente: [C]. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 53 2.6.1.3. Dimensiones de la entrevía En las líneas convencionales es el gálibo del material el que hasta ahora ha definido la entrevía, por lo que está adopta valores comprendidos entre 3,50 y 4,00 m. Pero en las líneas de alta velocidad han de tenerse en cuenta las variaciones de presiones que se producen en el cruce de trenes. Es éste un problema aerodinámico complejo, resultando más patente en los túneles. La limitación de los efectos de presión exige disponer de una lámina de aire suficiente entre vehículos que se cruzan, lo que define una separación de vías superior a la estrictamente definida por consideraciones geométricas de gálibo. Actualmente en líneas de alta velocidad se recomienda una entrevía mínima de 4,20 m, no obstante, existe una gran variedad en los valores adoptados para la entrevía en las distintas líneas que actualmente están en explotación. Un ejemplo de ello son la línea París-Sud Este con una entrevía de 4,20 m, las líneas alemanas con una entrevía de 4,70 m o la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla con 4,30 m. Podemos decir pues, que la entrevía de alta velocidad tendrá un valor comprendido entre los 4,20 y 4,70 m. Figura 2.14. Dimensiones de la entrevía para distintas velocidades. Fuente: [22]. Por otra parte hay que decir que todas las líneas de alta velocidad se han construido y se están construyendo con el ancho internacional de 1.435 mm para poder realizar la Red Europea internacional y probablemente en un futuro próximo, con la construcción de los nuevos túneles submarinos de Bering y Gibraltar una Red Global intercontinental. 2.6.2. La sección transversal Elegida la traza del túnel, se plantea el problema de decidir la forma de la sección y su dimensionamiento. En los túneles, por tratarse de obras lineales, el diseño de la sección transversal tiene extraordinaria importancia. Podría decirse que son la esencia del túnel, pues pequeñas variaciones del área de excavación o del espesor del revestimiento pueden tener bastante repercusión económica y aerodinámica. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 54 La decisión al respecto viene condicionada por diversos factores técnicos, entre los que podemos citar: 1. Necesidades funcionales de explotación y conservación. 2. Tipo y características del terreno. 3. Métodos de excavación. 4. Tipo de sostenimiento y revestimiento. Es claro que la forma y el tamaño de la sección depende básicamente de las necesidades funcionales o de utilización del túnel, pero, en ocasiones, puede resultar un problema complejo por la incidencia de otros factores. 2.6.2.1. Formas y dimensiones La forma y el tamaño de la sección deben ser adecuados para el tipo y las características del terreno en el que se va a construir el túnel, debiéndose decidir, por ejemplo, la relación anchoaltura más conveniente, o la alternativa entre túnel único o túneles gemelos. Se comprende que un túnel ancho en terreno blando necesita un sostenimiento especial y que puede resultar difícil de colocar, o que ciertas formas de sección son difíciles de excavar cuando la estratificación y fracturación del terreno no es favorable. En ciertos casos, habrá que llegar a soluciones de compromiso entre las necesidades funcionales y la economía y la seguridad de la obra. La sección transversal de los túneles de ferrocarril está determinada por los siguientes aspectos: - Necesidades de gálibo del material. - Espacio añadido para reducir los fenómenos aerodinámicos. - Entrevía. - Catenaria. - Paseos (espacio entre gálibo y hastiales). La sección de los túneles en general consta de tres partes: la bóveda, los hastiales o paredes, y la solera o suelo. La bóveda reacciona como un arco a la compresión del suelo, cuyo empuje exterior es más importante, con monteras iguales, cuanto más rebajada es la bóveda. Aunque por economía debería irse a bóvedas planas, ajustadas al gálibo, conviene sin embargo, en la mayoría de los terrenos, bóvedas curvadas ya que tienen una respuesta estructural muy superior a las planas. Las secciones en túneles ferroviarios interurbanos suelen ser circulares, en forma de herradura, redondeadas o rectangulares (A, B, D). En la siguiente figura observamos los principales tipos de sección que podemos encontrar en distintos tipos de túnel. A B C D E F Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 55 A. Sección abovedada clásica. B. Sección abovedada tri-arco (mejor respuesta bajo fuertes cargas). C. Sección típica de caverna abovedada (se usa en estaciones de tren o metro). D. Sección circular (muy buena respuesta a las cargas. Método excavación tuneladora). E. Sección caverna o túnel de servicios. F. Sección rectangular (típica en túneles urbanos, construcción con pantallas y por fases). Sección abovedada: Se suele utilizar en terreno de calidad media o buena. Los métodos de construcción generalmente son los tradicionales. La sección más sencilla (A) se compone de una bóveda de medio cañón, de hastiales verticales y de una solera horizontal que se reduce a un hormigonado de regulación en terrenos rocosos. En terrenos de mala calidad, que ejercen empujes importantes, hay que dotar de curvatura a los hastiales, que incluso se ensanchan en la base para unirse a la solera (si es preciso también en curva). Las secciones obtenidas se denominan de herradura. Esta es la forma de sección más utilizada por acomodarse mejor a los gálibos que hay que respetar. Actualmente, debido a los procesos constructivos, es frecuente que este tipo de secciones estén formadas por tres arcos de diferente radio y centro. Dos de ellos corresponden a los hastiales y el tercero a la bóveda. A veces, cuando el terreno no es de buena calidad o hay agua, encontramos un cuarto arco que corresponde a la contrabóveda (B). Sección circular: En principio, este tipo de sección debería utilizarse en terrenos de mala calidad y con fuerte presencia de agua, pero en la práctica, la mayoría de las veces suele estar impuesta por el procedimiento constructivo elegido la tuneladora. El primer problema que se plantea al diseñar un túnel es tomar la importante decisión de elegir entre tubo único y vía doble ó doble tubo y vía única. El conocimiento cada vez mayor de los fenómenos aerodinámicos y la mejora de la técnica hace que cada vez se tienda en túneles de < 4 km a la construcción de un solo túnel, pero aumentando la entrevía y la sección útil y que en túneles de longitudes importantes la seguridad adquiera el papel más importante pasando sobre el aspecto económico y se construyan en doble tubo. Para el dimensionamiento de la sección del túnel se utiliza la ficha UIC 779-11 sobre la obtención del área de la sección transversal, el método empleado en la confección de esta ficha, corresponde al de flujo isentrópico con rozamiento. El profesor Vardy desarrolló un programa de cálculo denominado Thermotun/4 (se habla en el apartado 2.4. subapartado: programas de simulación y estudios realizados), que aplicado a un gran número de casos, permitió la confección de unos gráficos de fácil aplicación recogidos en la citada ficha UIC. A partir de éstos, se obtiene el hueco libre mínimo de la sección transversal del túnel necesario para limitar las variaciones de presión sufridas en el interior de los trenes no estancos. Se toma como referencia exclusivamente la afección timpánica sobre los viajeros. No contempla ningún aspecto sobre gálibos, ventilaciones, protecciones anti-incendio, distancias eléctricas de seguridad, etc. Se aplica a túneles de sección constante, tanto de vía única, como doble. Queda fuera de su campo de aplicación, el tráfico de mercancías a gran velocidad. En estas fichas se recomienda definir una sección transversal mínima que no deberá ser inferior a los 52 m 2 (diámetro aproximado de 8,50 m) en los túneles de vía única, ni a los 75 m 2 (diámetro aproximado de 11,35 m) en los de vía doble, ni a cualquier otro mínimo exigido en normativas específicas (consultar Anejo 1). Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 56 Secciones vía única Figura 2.15. Sección circular del túnel de San Pedro, tramo excavado con TBM sección útil 52,91 m2. Fuente: [42]. Figura 2.16. Sección abovedada del túnel de San Pedro, tramo excavado con NATM, sección útil 58,20 m2. Fuente: [42]. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 57 Sección vía doble Figura 2.17. Gálibo en una sección de túnel línea de alta velocidad Madrid-Sevilla, sección útil 75 m2. Fuente: [47]. Figura 2.18. Sección tipo de una galería de conexión entre tubos principales. Fuente: [47]. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 64 Túneles submarinos Túnel de Seikan Figura 2.27. y 2.28. Sección transversal y perfil longitudinal del túnel submarino Seikan [22], [41] Túnel de la Mancha (Eurotunnel) Figura 2.29 y 2.30. Complejo subterráneo del túnel submarino del Canal de la Mancha y su sección transversal. Fuente: [22], [R] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 65 Los grandes túneles españoles Túnel de Guadarrama Figura 2.31. y 2.32. Complejo subterráneo y sec. del túnel de base de Guadarrama [37] Túnel de Pajares Figura 2.33. Complejo subterráneo del túnel de base Pajares [36] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Criterios de diseño de los túneles ferroviarios de Alta Velocidad - 66 Tabla 2.12. Características geométricas de los grandes túneles ferroviarios. Fuente: elaboración propia CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DE LOS GRANDES TÚNELES FERROVIARIOS Túnel Long. (Km) Nº Tubos Diámetro interior (m) Sección útil (m 2 ) Diámetro excav. (m) Distancia entre eje tubos (m) Cota (m s.n.m.) Recubrimiento máx. (m) Pendiente máx ‰ Radio curva (m) Distancia galerías de conexión (m) Dimen. (m) Nº de galerías evacuación Otro tipo de zona de seguridad Nº de pozo y Ø SaintGothard 57 2 8,5 2 x 52 8,83, 9,2 y 9,58 40 med 550 máx 751 2.249 12,5 3.200 325 - 3 de 62,5 m2 (Amsteg 1.800 m, Kabelstollen, Faido 2700 m) 2 puntos de parada preferente (Sedrun, Faido) 2 (835 m 49 m2)+gal. 1.000 m Lyon-TurÍn 53,1 más 12 2 2 8,4 2 x 43 10 aprox. 30 BF 570 máx 750 BI 580 2.500 (Mont d’Ambin) 6,5 – 8,4 3.200 400 - 3 (Modane 4.000 m, La Praz 2.572 m, St. Martin la Porte 2.050m) 1 punto de parada preferente (Modane 400 m) 0 Brenner 55 2 8,1 2 x 45,7 9,10 70 BA 589,6 BI 748,4 - 8 - 5 3.000 336 - 3 3 puntos de parada preferente - Seikan 53,9 1+ 1 serv. 9,6 3,46 x 4 74 13,8 11,4 3,47 x 5 30 - 240 (140 agua, 100 suelo) - - - 3,47 1 túnel servicio Galería de emergencia 0 Canal de la Mancha 50,5 2+ 1 serv. 7,6 4,8 2 x 45 1 x 18 8,6 5,8 30 - 125 (60 agua, 65 suelo) - - 375 250 vent. 3,3 2 vent. 1 túnel servicio Galería auxiliar 4 Vent. Lötschberg 2 x 34,6 y 3 accesos a túneles. total 88 1 y 2 9,4 2 x 52 VU 9,43 VU 40 BE 776 BS 654 2.300 (Balmhorn) 11 3.200 333 - 3 (Mitholz, Ferden, Steg) 2 puntos de parada preferente (Ferden, Mitholz) 0 Guadarrama 28,4 2 8,5 2 x 52 9,45 30 – 40 (transición en 1.500 m) BM 998 max 1.200 BSE 1.114 992 (Peñalara) 15 – 9,5 - 2 8.400 mín 15.000 máx 250 3,71 0 1 punto de parada preferente 3 vent Pajares 24,6 2 8,5 2 x 52 9,90 y 10,4 50 - 975 (Cueto Negro) 16,8 3.550 400 3 x 3,70 R=1,5 2 con pendiente 6,12 y 13 % (Buiza 5.466 m, Folledo 2.021 m) 1 punto de parada preferente de 400 m 0 Ceneri 15,4 2 - - 9,73 - - - - - - - - - - San Pedro 8,5 + 0,3 FT 2 8,75 circ. 2 x 52,9 circ., 58,2 abov. 9,45 TBM 82,4 m2 NMA 30 BS 790 max 1.219 BN 965 286 (a 7.250 m de la BS) 17,5 5.350 400 3,90 2 4 galerias de equipamientos separadas cada 1.600 m 0 Le Perthus 8,2 + 0,10 FT 2 8,7 2 x 52 9,98 - - Variable (de más de 200 m a 10 m) 16,5 – 11 – 18 7.000 200 - 1 (mitad recorrido) Ramales de instalaciones cada 2.600 m 1 dren. Abdalajís 7,07 + 0,23 FT 2 8,8 2 x 52 10 19,6 mín 30 med 50 máx 420 580 16 6.900 350 2,72 x 3 R=1,5 - - - Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 67 Capítulo 3. CONDICIONANTES DE LA CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN Como se ha visto en los capítulos anteriores, el diseño y la construcción de túneles de gran longitud conlleva la ejecución de un complejo subterráneo que sea funcional y sobre todo seguro. La explotación de los túneles también estará fuertemente marcada por la seguridad. En los próximos apartados analizaremos una serie de aspectos esenciales y especialmente propios de los túneles de gran longitud que condicionan su diseño y explotación. 3.1. Trazado En la elección del trazado del túnel intervienen muchos factores que tendrán que ser estudiados de manera independiente y también de forma conjunta para poder escoger el trazado que optimice mejor las diversas problemáticas que se planteen. Algunos aspectos entre los que habrá que buscar un equilibrio serán los siguientes: - Hay que evitar o minimizar la afección a zonas medioambientalmente interesantes, cumpliendo así las indicaciones de la Declaración de Impacto Ambiental (DIA). - Es importante minimizar la longitud de túnel continuo. De esta forma se mejora en gran medida la seguridad en la construcción y explotación del túnel acortando la distancia a zona segura. - Hay que buscar trazados que favorezcan la construcción de accesos intermedios con longitudes razonables. Para poder reducir plazos y costes con la utilización de nuevos puntos de ataque y habilitar futuras salidas de emergencia. - Hay que intentar reducir al mínimo la longitud de túnel en terrenos geotécnicamente conflictivos, ya que encarecerán la obra y aumentarán el riesgo de accidentes. - Evitar, en lo posible, puntos bajos. Si no es así; la explotación estará penalizada por el permanente funcionamiento de estaciones de bombeo, acarreando un gasto de equipos y energía, y aumentando el riesgo de inundación en caso de fallo. - Evitar también los puntos altos, salvo que se puedan dotar de chimeneas que permitan la ventilación natural en esos puntos. Lo contrario también penalizaría la explotación, por la necesidad de ventilación forzada que evite la acumulación de gases. - Como sabemos las bocas del túnel son un lugar muy importante técnicamente en la fase de construcción y un punto estratégico en la fase de explotación. Por eso hay que evitar emboquillar en zonas de riesgo de cualquier tipo: Inestabilidad de laderas, acumulación de nieve, fondos de vaguada, etc. También se evitará situarlas cerca de Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 68 industrias o almacenes de materiales peligrosos, donde se puedan dar escenarios de riesgo apreciable por explosión, incendio, etc. - Evitar, en lo posible, la colocación de aparatos de vía en el interior del túnel. Esto supone la eliminación, de Puntos Internos de Canalización (PIB's) y Puntos de Adelantamiento y Estaciones de Trenes (PAET's) dentro del túnel; lo cual puede condicionar la explotación ferroviaria, pero la seguridad se incrementa considerablemente si se eliminan. - Intentar situar estaciones en el exterior, y en las cercanías del túnel si es posible. Esto permite tener disponible un tren de socorro, apartar un tren con problemas, como zona logística en caso de accidente, etc. - Estas estaciones deberán estar acondicionadas para, en el caso de evacuación de un tren, acoger a un número importante de personas, que pueden necesitar algún tipo de asistencia médica, hasta su evacuación definitiva por tren o carretera. Figura 3.1. Trazado del túnel de base Ceneri (Planicie de Mogadino con el sector de la boca Vigana/Camerino al norte). Fuente: [10] Figura 3.2. Trazado del túnel de base Ceneri (Sector de la boca Vezia al sur). Fuente: [10] 3.2. Sección transversal Por criterios de seguridad, tanto en la prevención de accidentes como para mejorar las condiciones de autoprotección, en túneles de gran longitud se recomienda la configuración de la sección tipo en tubos separados, unidireccionales, con conexiones entre tubos (distancia máxima 500 m), que permitan el paso de personas de uno al otro. Si nos fijamos en las distancias entre galerías de conexión de los nuevos túneles (consultar tabla 2.12.), vemos que van del orden de 250 a 400 m. Parece generalmente aceptada, salvo escasas excepciones, esta solución como la más óptima, ya que un túnel de doble vía es claramente menos seguro (riesgo de choque entre trenes o con cargas desplazadas, cualquier incidencia afecta al tráfico en ambos sentidos, dificultad de acceder a una zona segura rápidamente en cualquier punto del túnel), y la solución de tres tubos (Canal de la Mancha) es bastante más cara y no aporta mayor seguridad de forma relevante. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 69 Más complicado resulta, en túneles de longitudes más reducidas, determinar a partir de que longitud se puede considerar como imprescindible utilizar una solución en doble tubo. En estos casos se tiene que encontrar el equilibrio necesario entre: - Evaluar el riesgo en caso de accidente. - La viabilidad técnica: factores geológicos, exigencias de trazado, fenómenos aerodinámicos y diámetro máximo de la tuneladora. - El coste, ya que como mínimo se necesitan dos tuneladoras y se excavaran más kilómetros de túnel, pero con un diámetro menor. El problema, hasta hace poco, era que existía un límite máximo de diámetro de unos 12 m en la excavación con tuneladora, y además se habían producido algunos accidentes importantes como el de Wallis (1998), al utilizar este tipo de máquinas de gran diámetro. Pero a partir de la realización del túnel de la M-30 en Madrid, donde se uso una tuneladora de 15,2 m de diámetro, obteniendo muy buenos resultados, parece que hoy este límite ya se ha superado. Actualmente en túneles de menos de 4 a 5 kilómetros, se suele optar por escoger la solución de un solo tubo, y en túneles de longitudes importantes la seguridad adquiere un papel principal, por encima del económico, y optando por la solución en doble tubo. Según las recomendaciones del Ministerio de Fomento, para considerar los efectos aerodinámicos, en túneles de doble tubo la sección mínima libre (sobre cota del carril) debe ser de 52 m 2 . Esta es la sección construida en los túneles de Guadarrama y Pajares y que corresponde a un diámetro interior de 8,5 m al que se le tiene que reducir aproximadamente unos 5 m 2 de la vía en placa, pasarelas de evacuación, drenajes y colectores. Túneles de la importancia de Gotthard y Lötschberg tienen el mismo diámetro interior, mientras el túnel del Canal de la Mancha es de 7,6 m. Esta sección (diámetro 8,5 m), considerando los gálibos dinámicos del material móvil de RENFE, permite la definición de vías de evacuación laterales con anchura superior a un metro. Según el tipo de mercancías a circular por estos túneles, cuando haya riesgo de vertido de líquidos contaminantes, será conveniente la construcción de un sistema de drenaje separativo, que evite el riesgos de contaminación de los acuíferos. Figura 3.3. Sección transversal terminada del Túnel de San Pedro. Fuente: [42] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 70 3.3. Rutas de evacuación Estos túneles deben tener un plan de autoprotección, que permita la evacuación de los pasajeros de un tren en situación de máxima emergencia: este puede ser el caso del incendio de un tren. con emisión de abundante humo. En estas circunstancias, el túnel tiene que estar proyectado de manera que la evacuación a una “zona segura” se pueda realizar en pocos minutos (no más de 6-10 minutos). Esta evacuación debe realizarse de forma segura, lo que exige como mínimo cumplir con las siguientes condiciones: - Tener unas rutas de evacuación paralelas a la vía, que permitan descender del tren y alejarse del mismo hasta acceder a una zona segura. Pueden ser aceras o andenes de anchura no inferior a 1 m situadas a una altura de entre 20 y 40 cm, sobre cabeza de carril. - Estar señalizadas e iluminadas convenientemente, así como libres de obstáculos. - Estar dotadas de elementos como: suelo antideslizante, pasamanos a un lado, etc. - Mantener unas condiciones medioambientales aceptables. Para ello debe poder ejercerse un control sobre el humo generado, lo que puede obligar a la ventilación forzada del túnel. 3.3.1. Zonas seguras Se considera “zona segura” aquella en la que, por un tiempo indefinido, las personas pueden permanecer sin riesgo por las consecuencias del accidente. Estas zonas deben tener siempre: - Una salida segura al exterior. - Control sobre las condiciones ambientales: temperatura, visibilidad, toxicidad, etc. - Condiciones para permitir la estancia de un gran número de personas, mientras llegan los medios de rescate. - Sistema de comunicación con el Centro de Control, así como equipos de primeros auxilios. Si es posible será bueno que el túnel tenga salidas intermedias al exterior, mediante la utilización de pozos o galerías con longitudes razonables (no superiores a unos 2 km), y preferiblemente situadas en el punto medio del túnel ya que es el más peligroso. Aunque en muchos casos esto no será posible. Generalmente se construye en mitad del túnel refugios con zonas de Parada Preferente para los trenes, ya que son lugares habilitados para realizar una evacuación más segura del tren. Los refugios no pueden considerarse zonas seguras si no tienen una salida independiente del túnel en el que se ha producido el accidente. Por la misma razón que lo anterior, esta solución no es posible muchas veces si el túnel es de sección única. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 71 3.3.2. El túnel paralelo, (Zona segura) Una solución buena es considerar como zona segura el túnel paralelo al del accidente, en los casos de sección con doble tubo. Para ello, debe poder asegurarse: - La posibilidad de acceder al mismo en pocos minutos: esto exige galerías de conexión entre túneles, separadas a menos de 500 m. - Mantenerlo limpio de humos: esto exige la colocación de puertas estancas resistentes al fuego (RF de 180 mín.), y la necesidad de mantener una sobre-presión en este túnel mediante sistemas de ventilación para evitar que entre humo. - Comunicación con las personas evacuadas desde el Centro de Control; desde donde se darán las instrucciones a seguir en la asistencia médica y evacuación. - Control de la circulación de trenes: de forma que se asegure, en caso de accidente, la parada inmediata de los trenes en circulación, en ambos tubos. - Rescate del personal evacuado mediante un tren enviado y controlado desde el Centro de Control. Este tren circularía por el túnel paralelo al del accidente “zona segura”. Esta solución, y con estos criterios de seguridad, son los actualmente aceptados en diversos grandes túneles: Lötschberg, Guadarrama, Pajares, etc. 3.3.3. Galerías de conexión A raíz de dos accidentes ocurridos en agosto de 2003 en las obras de dos túneles paralelos [39], se exige por parte del promotor el llevar la excavación de ambos tubos de forma simultanea. De esta manera se pueden ir construyendo a medida que avanzan los túneles principales, algunas de las galerías de conexión transversal, y así se reduce significativamente el riesgo para los trabajadores en caso de accidente, ya que se dispone de una vía de escape por el túnel paralelo. No conviene superar los 1.000 m del frente de excavación sin tener una galería de conexión transversal habilitada, esto supone una relación de ejecutar una galería de cada tres. En la construcción de los túneles de Abdalajís, Guadarrama y Pajares ya se utilizó esta técnica. Figura 3.4. Galería de conexión entre tubos principales. Fuente: [37] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 72 En la figura 3.4. podemos ver los sistemas mínimos que requiere una galería de conexión. Hay que añadir que las puertas RF tienen que estar dotadas de sensores que detecten una posible apertura y que automáticamente se comunique la señal de alerta al Centro de Control. 3.4. Complejo subterráneo El complejo subterráneo exige disponer de un sistema de gestión integral del túnel, de forma que desde el Centro de Control se conozca la situación en tiempo real dentro del túnel y disponer de suficientes mecanismos de actuación y gestión inmediatos, que permitan controlar los distintos sistemas como: refugios, galerías de evacuación, estaciones, iluminación, conductos de ventilación, centros de transformación de alta y baja tensión, puestos de adelantamiento, estacionamiento de trenes (PAET), puestos internos de canalización (PIB), etc. Para ello se requiere de sofisticados sistemas de comunicación como: Redes de transmisión, Red IP, Radiocomunicación TETRA, Radiocomunicación ATC, Wireless LAN, telefonía e interfonía, megafonía, teleindicadores y sistemas de videovigilancia. El modelo de explotación se caracteriza por la automatización y control de sistemas y la atención al pasajero. Figura 3.5. Complejo subterráneo del túnel de Guadarrama. Fuente: [A] 3.4.1. Galerías Son preferibles a los pozos, siempre que cumplan determinadas condiciones, pues así la construcción se facilita, permitiendo utilizar maquinaria convencional y no se requieren instalaciones complejas de elevación como en el caso de los pozos. Características recomendadas para las galerías: - No tener excesiva longitud (no más de 2 km). - Sección transversal que permita el cruce de vehículos y la ventilación (sección de túnel carretero con calzada de mínimo 8 m de anchura). - Pendiente máxima del 12 %. - Trazado amplio, que permita la circulación de vehículos. - Firme de carretera en buenas condiciones. - Ausencia de graves problemas geotécnicos, o de otro tipo, para su construcción. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Condicionantes de la construcción y explotación - 73 Figura 3.6. Galería de acceso de Faido Figura 3.7. Galería de acceso de Modane (túnel de base Saint Gothard). Fuente: [10] (túnel de base Lyon-Turín). Fuente: [4] Galerías evacuación Túnel Nombre Long (m) Punt parada preferente Refugio (Sala emergencias) Pozos Estaciones en bocas PAET Amsteg 1.800 Sedrun Kabelstollen - Saint Gothard Faido 2.700 (12‰) 2 Sedrun y Faido Faido 2 Sedrun y Faido + galería 1 km 2 (Sedrun, Faido) Modane (Sec. 11 x 6,5 m) 4.000 La Praz 2.572 Lyon-Turín St. Marti La Porte 2.050 1 Modane de 400 m 4 (3 Sites d’intervention: La Praz y Venaus y St Marti y 1 estación seguridad: Modane) - - Brenner 3 - 2 1 - - Canal de la Mancha Túnel servicio - - 2 (cavernas cruce) 4 vent 2 Estaciones de emergencias Mitholz Ferden Lötschberg Steg - 2 Ferien y Mitholz 2 - - Guadarrama - - 1 mitad túnel Capacidad 1.200 pers. 500 m con galerías separadas 50m 3 ventilación 2 PAET Soto a 2.280 m y PAET Segovia a 2.000 m Buiza (pend. 6,12 ‰) 5.466 Pajares Folledo (pend. 13 ‰) 2.021 1 Buiza Buiza 400 m con galerías separadas 25 m - - A 500 m boca sur de 8 m sec. 600 San Pedro mitad túnel 859 1 mitad túnel Una en mitad túnel y 4 galerías equipamientos cada 1.600 m - - Tabla 3.1. Zonas de seguridad de los principales túneles de gran longitud. Fuente: elaboración propia 3.4.2. Pozos Son obras complejas, tanto en su construcción como en su funcionamiento, pues requieren costosas instalaciones de elevación para materiales, maquinaria y personal. Cuando ésta solución es la adoptada, debe tenerse en cuenta lo siguiente: - Diámetro interior de 8 m, mínimo. - Por seguridad y funcionalidad, conviene que el pozo sea doble. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 80 Figura 4.3. Banqueo vertical u horizontal en un túnel con avance en dos secciones (avance y destroza).[20] Cuando la calidad de la roca es mala, es preciso por lo general, dividir el túnel en varias secciones más pequeñas. La voladura de la destroza con barrenos horizontales, tiene la ventaja de que se utiliza el mismo sistema de trabajo y maquinaria que la fase de avance, pudiendo recortarse con la voladura la forma teórica del túnel. Por otro lado, la voladura en banco (barrenos verticales) es más rápida de llevarse a cabo, con un consumo menor de explosivo, y no necesita ser retirado el escombro en cada voladura, pero requiere de un recorte posterior para conseguir el perfil del túnel en los hastiales. Figura 4.4. Jumbo robotizado de tres brazos perforando barrenos en el frente de trabajo.[P] Esquemas de voladura en túneles Mientras que en las voladuras al aire libre bastan entre 0,3 y 0,6 Kg de explosivo para excavar 1 m 3 de material, en las subterráneas se necesita del orden de 0,8 a 4 Kg de explosivo. Este aumento en la cantidad es debido al confinamiento que sufre la onda expansiva al no disponer del espacio de salida suficiente. En las voladuras de exterior normalmente se dispone de más de una cara de salida. En un túnel aplicando frente partido la primera voladura que se realiza es la del avance. En esta situación sólo disponemos de una cara de salida: la del frente de ataque. Para mitigar este confinamiento, el principio de ejecución se basa en crear un hueco libre (creo una nueva cara de salida), con los barrenos del cuele y contracuele hacia el cual romperán las cargas restantes de la sección. Dicho hueco tiene generalmente, una superficie de 1 a 2 m 2 , aunque con diámetros de perforación grandes se alcanzan hasta los 4 m 2 . Existen infinidad de geometrías distintas en el posicionamiento de los barrenos para realizar distintos tipos de cueles y contracueles. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 81 Figura 4.5. Zonas de voladura en túnel Cornejo, L.: “Excavación Mecánica de Túneles”. Fuente: Ed. Rueda. Ejecutada la destroza, solo falta ejecutar las voladuras que permitan determinar la sección definitiva de la galería. Esto se consigue con los barrenos de recorte para dar forma a la bóveda y hastiales y los barrenos del piso (Zapateras). Los barrenos de recorte suelen tener una separación inferior a los de destroza y para no sufrir sobre-excavaciones ni resaltes en el perfil de la sección se suelen cargar con cargas de menor intensidad, normalmente se utiliza cordón detonante de 100 o 80 gr/m de explosivo (Pentrita). Para poder realizar todo lo explicado en este apartado es de vital importancia la disposición de los detonadores de retardo o microretardo (hablamos de milisegundos), ya sean del tipo eléctrico o no eléctrico. Estos detonadores permiten secuenciar los tiempos de salida de cada barreno. Esto nos beneficia de formas distintas: - Al secuenciar los tiempos de las explosiones, disminuyen las vibraciones enormemente ya que no se suman las unas con las otras. - Permite disparar las diferentes zonas de la pega en distintos tiempos y de esta forma obtenemos nuevas caras de salida para los barrenos que todavía no han explotado y así evitamos el confinamiento. - Voladura controlada y por lo tanto mucho más segura. La secuenciación de una pega típica en sección completa sería: Primero detonan los barrenos del cuele (normalmente se dejan los del centro vacíos para obtener una cara libre), posteriormente detonan los barrenos del contracuele, después los de la destroza. Acto seguido los del recorte y finalmente los de las zapatas con los de las esquinas como últimos barrenos a detonar. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 82 Figura 4.6. Pega de la sección en avance del túnel de Sant Esteve d’en Bas (La numeración determina el orden de disparo de los barrenos). Tipos de explosivos La selección del explosivo o detonadores dependerá de muchos factores: si tenemos agua o no, si existen gases inflamables en el ambiente, si existen líneas eléctricas próxima, etc. Los explosivos industriales pueden clasificarse según su composición y tecnología de mezcla y los detonadores en eléctricos (sensibles, insensibles y altamente insensibles), no eléctricos, también dependiendo del tipo de ambiente en el que van a ser utilizados y en función de los tiempos de detonación (instantáneos, de retardo o de microretardo). Explosivos: 1. Dinamitas - Gomas - Pulverolentas 2. Anfos 3. Hidrogeles 4. Emulsiones 5. Heavy Anfo 6. Cordones detonantes (gr/m Pentrita) Figura 4.7. Fotografía de los distintos productos explosivos (UEE).[19] Detonadores y conectores: 1. Detonadores eléctricos: no es aconsejable utilizarlos en zonas próximas a líneas eléctricas. (Detonadores eléctricos de la UEE “Riodet”) - Clasificación por su sensibilidad eléctrica: Sensibles (S), Insensibles (I), Altamente insensibles (AI). - Clasificación por el tiempo de explosión: Instantáneos, Retardos 0.5 seg., Microretardos 30 ms., de 20 ms., Sísmicos <1ms. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 83 - En función del uso: cápsula de aluminio (uso general), cápsula de cobre (uso en ambientes grisuosos o inflamables). 2. Detonadores no eléctricos: Son muy seguros y pueden utilizarse en cualquier lugar. Se detonan por onda de choque (utilizo pistola detonante o un detonador eléctrico), no por corriente eléctrica. (Detonadores no eléctricos de la UEE “Primadet”) - Primadet MS: Microretardo (ms.) - Primadet LP: Largo periodo (seg.) 3. Conectores (son no eléctricos): conectan líneas de detonadores no eléctricos y también disponen de retardos, por lo tanto los tiempos de retardo del conector se suman al del detonador. - Primadet EZ Det - Primadet EZ TL - Primadet NTD Los taladros deben de tener una longitud de un 5 a 10 % superior a la distancia que se quiera avanzar con la pega, llamada longitud de avance, ya que siempre se producen pérdidas que impiden aprovechar al máximo la longitud de los taladros. Las longitudes de avance típicas están comprendidas entre 1 y 4 metros y se fijan en función de la calidad de la roca. Cuanto mejor es la calidad del terreno, mayores serán los avances posibles. Con una roca de calidad media-adecuada es habitual perforar taladros de 3 a 3,50 metros para avanzar entre 2,80 y 3,20 metros en cada voladura. Las principales ventajas e inconvenientes del método de excavación con explosivos son: VENTAJAS INCONVENIENTES Mejora en los explosivos, perforación y diseños de voladura, obteniendo mayor precisión y rendimiento. Voladuras mal realizadas pueden provocar accidentes muy graves y vibraciones peligrosas para el entorno. El mantenimiento de los equipos de perforación (Jumbos), son fáciles y rápidos de realizar. Se producen gases tóxicos y se requiere de ventilación, para extraerlos. Los explosivos actuales son mucho más seguros y sencillos de manipular. En caso de no detonar alguna carga, el desescombro puede ser muy peligroso. Fácil disponibilidad de equipos y personal especializado. Generalmente se produce sobre-excavación que tendrá que ser rellenada con hormigón. El método es muy flexible y se adapta a cualquier tipo de terreno. Esto permite un avance continuado del túnel. Al ser un método abierto, suele haber problemas con las filtraciones de agua que resultan difíciles de controlar. Los costes operativos de este método son muy bajos. Tabla 4.1. Principales ventajas e inconvenientes de la excavación con explosivos. Fuente: elaboración propia 4.2.2. Excavación mecánica con máquinas de ataque puntual En la excavación mecánica, la energía utilizada se concentra en la punta del útil de corte. De este modo se supera la resistencia de la roca a su penetración, resistencia a tracción y cizallamiento. Generalmente, la energía inicial es suministrada por motores eléctricos que mediante un circuito hidráulico, la transmiten a las herramientas de corte que están en contacto con la roca. Este método es de frente abierto y los sistemas de excavación mecánica de ataque puntual son fundamentalmente dos: - La excavación con rozadoras. - La excavación con martillo hidráulico. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 84 4.2.2.1. Rozadoras o minadores Estas máquinas utilizan el sistema de ataque puntual, en el cual la potencia total del motor de corte y el peso de la máquina (fuerza de reacción) se concentran en una única punta cortadora, lo que permite atacar rocas bastante duras. El desarrollo de este tipo de máquinas comienza en la década de los 60 con las PK-3 rusas. Estas máquinas provienen de la minería. La utilización de éstas en la ingeniería civil es cada vez más importante y se extiende a la construcción de túneles en terrenos principalmente poco abrasivos y de resistencias inferiores a 100 Mpa., en los que la longitud de los mismos hace prohibitivo el empleo de máquinas TBM de excavación a plena sección. Una rozadora o minador es una máquina excavadora que desarrolla un sistema de trabajo mediante un cabezal rotatorio, provisto de herramientas de corte de metal duro que incide sobre la roca y que va montado sobre un brazo articulado. Dispone de un sistema de recogida y transporte de escombros desde el frente hacia la parte trasera de la máquina. La máquina se completa mediante el ensamblado de estos mecanismos descritos a un chasis móvil sobre orugas. El sistema de trabajo de estas máquinas consisten en excavar con el rozamiento y desescombrar con el sistema de recogida de escombro. Figura 4.8. Fotografía rozadora con cabezal Ripping. Figura 4.9. Fotografía minadores con cabezal Milling. Una de las ventajas que presentan las rozadoras es la elevada pendiente en la que pueden trabajar; esta es una característica decisiva en la elección de este método: ángulos con la horizontalidad de hasta 45º y pendientes de hasta el 80%. Sistemas de corte Dos son los sistemas de corte empleados y que vienen representados en la próxima figura. - Ataque frontal (Ripping). - Ataque lateral (Milling). Ataque frontal (Ripping): En este sistema el cabezal de corte gira perpendicularmente al brazo soporte y las herramientas de corte (Picas) golpean la roca utilizando todo el peso de la máquina, por lo que el rendimiento Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 85 de excavación aumenta y posibilita el rozado de rocas más duras. La fuerza de corte se aplica principalmente de un modo frontal. Ataque lateral (Milling): En este sistema el cabezal de corte cilíndrico o tronco cónico gira en línea con el eje del brazo soporte y la fuerza de corte se aplica lateralmente, por lo que no se aprovecha todo el peso de la máquina como fuerza de reacción. Figura 4.10 y 4.11. Sistemas de corte de las rozadoras y tipos de cabezal. Fuente: [16] Ambos sistemas tienen sus ventajas e inconvenientes y cada uno tiene sus aplicaciones específicas. Por ejemplo, en minería puede tener una buena aplicación el sistema Milling, ya que, al ser el cabezal de corte de dimensiones más reducidas, permite su utilización en capas estrechas de mineral que puede ser rozado sin afectar a la roca encajante. Existen máquinas en el mercado que permiten la utilización de ambos sistemas con la simple sustitución del cabezal de corte. Útiles de corte (Picas) Son las herramientas de trabajo que, aplicando en un punto la energía desarrollada por la máquina, producen la indentación de la roca y su rotura. Los elementos de que se componen los útiles de corte son: - Bloque-Portapicas (lugar donde va alojada la pica). - Vástago (parte de la pica que se introduce en el portapicas). - Punta (punto de contacto de widia entre la pica y la roca). Figura 4.12. Pica (útil de corte). Fuente: [16] El contacto entre el útil y la roca se realiza mediante una pastilla o punta de metal duro (carburo de tungsteno), que va inserto dentro de una matriz de acero que ha sido sometido a tratamientos de endurecimiento. Estas picas necesitaran de un mantenimiento periódico, debido al desgaste que sufren. Sistema de carga de escombros El sistema de carga de escombros es diferente de unas máquinas a otras, y presenta básicamente cuatro variantes: Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 86 - Carga mediante brazos recolectores: El material rozado cae sobre una bandeja y es recogido mediante unos brazos que lo cargan a los transportadores. - Mesa recolectora: El material cae sobre una mesa recolectora cuya parte superior tiene un movimiento alternativo hacia los lados empujando el material hacia los transportadores. - Carrusel de Paletas: El material es cargado mediante un transportador continuo de paletas circulante. - Rozado y carga en una misma operación: El cabezal de corte gira de abajo hacia arriba. Así a la vez que corta también carga el material alimentando un transportador central colocado en el mismo brazo articulado. Este sistema permite efectuar excavaciones puntuales de dimensiones muy reducidas. Clasificación de las máquinas Máquinas Peso Tn. Potencia de corte KW. Dureza máx. de roca Mpa. Ligeras <20 ≤ 50 30 Peso medio 20-40 ≤ 110 80 Pesadas 40-60 ≤ 220 ≤ 100 Muy pesadas 80< 200-300 ≤ 120 Tabla 4.2. Clasificación de las máquinas. Fuente:[16] Relación entre resistencia de la roca, potencia de la máquina y rendimientos Resistencia de la roca Potencia de la cabeza RC (Kg/cm 2 ) RC (Mpa) Corte(KW) 200 20 30 300 30 50 400 40 70 500 50 90 600 60 103 700 70 116 800 80 130 900 90 165 1000 100 200 1200 120 300 Tabla 4.3. Clasificación de las máquinas. Fuente:[16] Tabla 4.4. Clasificación de las máquinas. Fuente:[16] Las principales ventajas e inconvenientes del método de excavación con rozadoras son: VENTAJAS INCONVENIENTES Pueden trabajar en elevadas pendientes con ángulos de horizontalidad de 45º y en pendientes de hasta un 80% Están limitados a partir de una cierta dureza de la roca, lo que eleva los desgastes y el numero de averiás, en caso de variación del tipo de material. Son más precisas, y prácticamente no producen sobreexcavación. El mantenimiento es más complejo que el de los Jumbos y requiere de más tiempo y dinero. La ventilación es más fácil ya que se limita a la extracción del polvo. Exige de un control adecuado del empuje de la máquina sino los rendimientos pueden ser bajos. No requieren de grandes espacios para el montaje y desmontaje y son accesibles para el mantenimiento. Permite efectuar una excavación en fases, y el acceso al frente es muy sencillos todo ello facilita los trabajos de sostenimiento del frente. Facilitan el desescombro del material excavado. No requiere de mucho personal y el coste es bajo. Tabla 4.5. Principales ventajas e inconvenientes de la excavación con rozadoras. Fuente: elaboración propia Resistencia a compresión simple de la roca Mpa. Potencia de la cabeza 120 100 50 30 20 8 Rendimiento m 3 /h 300 23 29 50 72 94 116 200 12 29 48 67 81 110 27 27 34 46 50 12 17 41 40 6 12 35 20 3 12 Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 87 4.2.2.2. Excavadoras con martillo hidráulico y fresadoras Este sistema consiste en disponer de una excavadora y colocarle en el brazo móvil el útil del que se disponga, ya sea un martillo hidráulico (Puntero) o una fresadora (útil de corte similar al de la rozadora). Se trata de un sistema de excavación de frente abierto y se utiliza en rocas de dureza media y baja. Figura 4.13. Fotografías de excavadoras con punteros (izquierda) y fresadora (derecha). En este método, igual que en las voladuras, será necesaria la utilización de una pala cargadora para extraer el escombro. En cambio en las rozadoras y minadores, normalmente detrás de estas se coloca directamente una cinta transportadora hasta el exterior para sacar el escombro de forma más rápida y automatizada. Las principales ventajas e inconvenientes del método de excavación con martillos y fresadoras: VENTAJAS INCONVENIENTES Equipos muy sencillos, ligeros, flexibles y no requieren de personal altamente cualificado. Rendimientos muy bajos del orden de 2 a 3 m/día. Se adaptan bien a diferentes tipos de material. Se produce sobre-excavación que tendrá que ser rellenada con el revestimiento. El mantenimiento resulta fácil de realizar ya que se tiene acceso a cualquier punto. Por lo tanto los tiempos son bajos y los costes reducidos. Frente abierto y al ser maquinaria ligera y que se manipula próxima al frente, existe un elevado riesgo en caso de derrumbe. Facilita los trabajos de sostenimiento ya que se tiene fácil acceso al frente. El desescombro del material requiere de acopios y palas cargadoras como en el método con explosivos. El frente queda ventilado de forma rápida. Al estar el frente abierto, presenta problemas con la aparición de filtraciones de agua. El coste del método en general es bajo. Permite efectuar excavaciones en fases y se adapta a cualquier tipo de geometría requerida por el túnel. Tabla 4.6. Principales ventajas e inconvenientes de la excavación con martillos y fresadoras. Fuente: elaboración propia 4.2.3. Métodos tradicionales de construcción de túneles Como ya habíamos comentado anteriormente, si la roca a perforar es buena, podemos avanzar a sección completa en una sola operación (gran frente abierto), ya sea con explosivos, rozadoras, martillos, etc. Pero cuando las condiciones de la roca se complican, tendremos que atacar el frente en sección partida (reducimos el frente abierto), esto nos proporcionará una mayor estabilidad. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 88 Existen diversos métodos para avanzar en sección partida que se diferencian entre ellos fundamentalmente por la secuencia de excavación. Hay un elemento en común en la utilización de estos sistemas que es el sostenimiento, basado en la aplicación de soluciones flexibles (bulones, cerchas y hormigón proyectado), o soluciones provisionales con escudo (trabajando al amparo de una coraza o escudo que facilita el sostenimiento provisional). Los problemas básicos que encontramos al perforar roca que está en malas condiciones son: soportar el techo, hastiales y frente de ataque en el periodo de tiempo comprendido entre la excavación y el revestimiento, y llevar a cabo las diversas operaciones (excavación, entibación, extracción de materiales y revestimiento) en el reducido espacio de trabajo disponible que nos permiten este tipo de métodos en sección partida. Figura 4.14. Secuencias de excavación de los distintos métodos.[21] Algunos de estos métodos son: 1. Método Inglés: Recibe su nombre por haber sido aplicado en túneles en un tipo de terreno que usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arcillas y areniscas. Se aplico en la construcción del primer túnel bajo el Támesis. Consiste en excavar primero el avance mediante una galería central y después ensancharla lateralmente; a continuación se excava la parte inferior en tongadas horizontales. 2. Método Belga: Basado en los principios de la construcción del túnel del Charleroi en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi en 1828. Consiste en la excavación del avance de forma similar al método inglés, pero excavando la destroza en secciones verticales. 3. Método Alemán: Desarrollado por Wiebeking en 1814, sigue el sistema de núcleo central. Empleado en la construcción de las amplias bodegas de cerveza de Baviera. Se utiliza para túneles de grandes luces, para construir estaciones, o cuando el terreno es inestable y no se puede descalzar parte de la bóveda para ejecutar los hastiales. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 89 El sistema Alemán, como se puede apreciar en la figura 4.14., consiste en excavar en primer lugar los hastiales mediante dos galerías paralelas. A continuación se excava una galería central superior en la zona de la clave, y posteriormente se hormigona la galería inferior de los hastiales. Desde los hastiales se excava la bóveda con el sistema de “costillas”, esto es, mediante pequeños túneles que unen los hastiales con la galería de clave de forma alternante en forma de costilla. Se hormigona cada una de las semi-costillas desde la galería de clave, y posteriormente se hormigona ésta por tramos. De esta forma, quedan construidos la bóveda y los hastiales, para comenzar a excavar el núcleo central, que es el túnel propiamente dicho. Concluida la excavación de la caverna, se hormigona la contrabóveda. 4. Método Italiano: La secuencia aplicada en el método Italiano fue aplicada en el primer túnel de San Gotardo en 1882. Consiste en una excavación por fases que empieza excavando en el centro de la bóveda y ensanchándose hacia los laterales. Posteriormente se empieza a descender por la parte central hacia la solera y finalmente se excavan los hastiales. 5. Método Austriaco: Desarrolla un plan de trabajo basado en la utilización de puntales de madera formando un sistema de entibación. 6. El Nuevo Método Austriaco de Túneles N.M.A (New Austrian Tunnelling Method NATM): Es uno de los métodos más utilizados. Consiste en excavar grandes secciones de túnel (en algunos casos, la sección completa) permitiendo que el terreno se auto-sustente, es decir, que el terreno forme un anillo de descárga en el perímetro de la excavación, permitiendo su deformación hasta un punto de equilibrio. Inmediatamente después, se coloca un revestimiento con el objeto de proteger la superficie excavada y controlar dicha deformación. Este método exige una detallada auscultación de las tensiones y de las deformaciones del terreno, a partir de las cuales, se aplica el revestimiento más adecuado. Este método, que comenzó a utilizarse en los túneles en roca alpinos en 1962, y se ha ido aplicando poco a poco a suelos blandos, lo que ha provocado en numerosas ocasiones colapsos y hundimientos de gran magnitud (Heathrow en Londres, metro de Munich, túnel urbano de Silesio Delgado en Madrid y el Carmel metro de Barcelona). En la ejecución de un túnel por el Nuevo Método Austriaco, se comienza por la excavación de la bóveda (más aproximadamente un metro de altura de hastíales), avanzando entre 1 y 3 metros de longitud. A continuación se coloca un sostenimiento provisional, habitualmente cerchas de acero unidas por tresillones metálicos, que en ocasiones se sella mediante una capa de hormigón proyectado. Detrás, con un desfase de unos 18 m, se hormigona la bóveda con el revestimiento definitivo. Posteriormente, se excava la destroza en forma de caja central, dejando algo más de un metro de terreno próximo a los hastiales, para que sirva de apoyo a la bóveda y los empujes que esta transmite no originen roturas. A continuación se excavan los hastiales por bataches al tresbolillo, y se hormigonan en una longitud similar a la de un anillo (aproximadamente 2.5 m); y por último, se excava y hormigona la solera o contrabóveda. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 96 Figura 4.19. Fotografía de un escudo de presión de tierras del túnel de la M-30. Fuente: [M] Para controlar el sistema de presión de tierra hay que vigilar el volumen de escombro desalojado en el tornillo equilibrándole con el excavado; para ello, se realizan mediciones continuas de los detectores de presión localizados en la cabeza, cámara y tornillo. Este sistema de presión balanceada de tierras abarcan prácticamente la totalidad de los terrenos que pueden presentar inestabilidades. Es la tecnología dominante en todo el mundo para la excavación de túneles en suelos bajo niveles freáticos. El Doble Escudo (Double Shield) El doble escudo tiene características mixtas entre el topo y el escudo. Éste dispone de dos sistemas de avance independientes. El doble escudo es una máquina concebida en un escudo telescópico articulado en dos piezas, que además de proporcionar un sostenimiento continuo del terreno durante el avance del túnel, permite en aquellos casos en que el terreno puede resistir la presión de los grippers, simultanear las fases de excavación y sostenimiento, ya que es capaz de avanzar indistintamente, bien apoyándose contra el terreno mediante grippers, o bien mediante cilindros de empuje contar un anillo de dovelas que ella misma coloca, con lo que se pueden conseguir rendimientos muy elevados. Figura 4.20. Tuneladora MHI-Robbins de doble escudo del túnel Este de Abdalajís. Fuente [A] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 97 Estas máquinas están preparadas para trabajar en terrenos de geología cambiante e inestable. La tuneladora de doble escudo consigue los mayores ritmos de avance en roca de competencia media e incluso media baja, ya que la excavación y colocación del revestimiento se realizan de forma simultánea. La excavación se ejecuta con el escudo delantero, cuyo empuje se realiza por la reacción de los grippers contra las paredes de roca, y al mismo tiempo con el escudo trasero se coloca el revestimiento. De esta forma se alcanza un ritmo de avance muy elevado. En roca de baja competencia, la tuneladora doble escudo trabaja como un escudo simple. El empuje se realiza por presión con los cilindros perimetrales contra el revestimiento colocado, mientras que los grippers se mantienen recogidos, puesto que no se puede realizar el empuje contra los hastíales debido a la mala calidad del material. El ciclo de avance se hace en dos fases independientes, primero se excava y después se coloca el anillo de revestimiento, reduciendo por tanto los rendimientos. El Escudo Mixto (Mixshield) El escudo mixto es una máquina polivalente que sirve para excavar en diferentes tipos de geología. Está dotada de las funciones básicas de un hidroescudo y de un escudo de presión de tierras (EPB), además de poder trabajar como escudo abierto, e incluso con aire comprimido. Se suelen utilizar fluidos para sostener el frente de excavación y una suspensión de bentonita (mezclada con el agua y la tierra excavada) para transportar el material excavado. La suspensión de bentonita se trata en una planta separadora y se vuelve a incorporar en el circuito. Hoy en día es el tipo de escudo más utilizado en la construcción de túneles en zonas urbanas, debido a su gran capacidad de adaptación a diferentes tipos de material. Figura 4.21. Fotografía de un escudo mixto. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 98 Las principales ventajas e inconvenientes del método de excavación con TBM con escudo: VENTAJAS INCONVENIENTES Es el sistema de excavación más seguro para los trabajadores, ya que en todo momento están cubiertos. Requiere de un número elevado de personal y con un cierto grado de especialización en los trabajos. El revestimiento queda de forma automática colocado y con el acabado final. Riesgo de quedar atrapadas debido a fenómenos de gran convergencia o de expansión (arcillas). Especialmente en momentos de paros por mantenimiento, después a la hora de retomar la excavación queda atorada. Desescombro automatizado (cinta transportadora o vagonetas). Elevado coste del revestimiento, ya que en determinadas zonas queda sobredimensionado. Proceso de excavación sistemático. El contratista en poco tiempo es capaz de alcanzar buenos rendimientos. En caso de avería la reparación es muy costosa y requiere de periodos de tiempo elevados. Se adapta mejor a las variaciones de la calidad del terreno. Dificultad en la variación del diámetro de corte. Las piezas de recambio son difíciles de encontrar. El guiado resulta más sencillo ya que siempre tiene tracción de empuje. También requiere de mucho espacio en el montaje y desmontaje y en las instalaciones auxiliares. Rendimientos altos de trabajo del orden de 500 m/mes. En general el método es caro. Requiere de mucho tiempo de preparación previa y de sistemas auxiliares complejos. Tabla 4.8. Principales ventajas e inconvenientes de la excavación con TBM con escudo. Fuente: elaboración propia 4.3. Sostenimiento y revestimiento Los revestimientos son necesarios en la mayor parte de los túneles; se utilizarán siempre en terrenos blandos y, frecuentemente, en las rocas. Se colocan con dos fines: estructuralmente, para contener y soportar el terreno expuesto y, operacionalmente, para proporcionar una superficie interna que sea adecuada a las funciones del túnel. Podemos encontrar revestimientos permanentes, cuando han sido especificados e incorporados en los cálculos de diseño, y como temporales cuando los proporciona el contratista según sean necesarios para la seguridad de la construcción. Los requisitos principales que deben cumplir los revestimientos estructurales permanentes son: 1. Proporcionar el apoyo estructural necesario. 2. Controlar o eliminar la entrada o escape del agua. 3. Ajustar la sección transversal de operación. Al cumplir dichos requisitos, el sistema de revestimiento escogido deberá ser capaz de ofrecer una construcción segura y económica, y adaptarse a posibles variaciones y contingencias imprevistas que se pudieran encontrar en el progreso de la obra. La adaptabilidad del sistema de revestimiento puede constituir un factor muy importante, ya que la urgente necesidad de tener que cambiar a un revestimiento diferente puede causar demoras e interrupciones en el programa y ocasionar fuertes costos adicionales. La sincronización de la colocación del sostenimiento es de vital importancia (sobre todo en el NMA) para evitar inmediatamente cualquier movimiento que pudiera provocar catástrofes, pero debe permitir los movimientos causados por deformaciones en el terreno circundante con cambios concomitantes en un esfuerzo para establecer un equilibrio nuevo y estable. Esto requiere de un cierto grado de flexibilidad. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 99 En terrenos con abundantes acuíferos, la impermeabilidad sustancial del revestimiento permanente es por lo común importante, pero la absoluta impermeabilidad es muy difícil, si no imposible, de alcanzar y es muy probable que sea muy costosa. Los túneles tienen que convivir con el agua y no intentar erradicarla por completo. En los túneles de ferrocarril será aceptable una cierta filtración, siempre que dicha agua se desvíe de los cables superiores de la catenaria y del equipo eléctrico para llevarla a un sistema de drenaje. En los túneles para carretera se requieren normas más estrictas, eliminando totalmente las depresiones en el espacio destinado al transito y manteniendo limpia y seca la superficie de las paredes. Los túneles subacuáticos profundos pueden estar sometidos también a una elevada presión externa del agua, y en vez de diseñar el revestimiento para excluirla totalmente, se puede aceptar una entrada controlada por medio de drenaje y bombeo. Así el agua de los poros y el terreno circundante estará sometida a un gradiente de presión y aquél desarrollará esfuerzos para soportar la carga. Los principales materiales y métodos de construcción para los revestimientos permanentes de los túneles actuales son: 1. Bulonado: Los bulones son barras de acero (o fibra si el uso es en el frente de ataque) que se anclan en el terreno mediante resinas o lechadas de hormigón, y pueden tener diferentes longitudes (3-12 m normalmente) y diámetros (25 mm normalmente). Se utilizan en todos los métodos de excavación exceptuando en las EPB donde sólo se colocan dovelas, aunque siempre terminarán por colocarse en un sitio u otro, ya que serán necesarios para hacer el paraguas y poder unir los tubos principales con las conexiones transversales o para proporcionar mayor rigidez al conjunto. Es importante determinar adecuadamente la longitud, diámetro, espaciamiento y si se colocará mallazo entre la roca y la placa de sujeción. A mayores densidades y mayor longitud y sección, más resistente será la corona de sujeción que forman el conjunto de bulones con la roca. 2. Cerchas metálicas: Son arcos de acero, que se colocaran sobre todo en zonas problemáticas, con una geología compleja (terrenos heterogéneos, fallas, etc.). Se pueden utilizar en prácticamente todos los métodos de excavación, exceptuando en los revestimientos de dovelas. Será importante definir el tipo y el espaciamiento así como si es necesario algún tipo de forro, paraguas o contrabóveda. A mayor densidad de Cerchas por tramo, obtendremos más resistencia estructural. Deben permitir un cierto movimiento del terreno, ya que así se reducen cargas con el nuevo equilibrio adquirido. 3. Hormigón proyectado y Gunitados: En el hormigón proyectado es muy importante tener una densidad óptima en el momento de ser proyectado, ya que en caso contrario, si el hormigón es muy poco denso, no se pegara en la pared, y si es muy espeso no podremos proyectarlo con facilidad. También influye el espesor de la capa y si se coloca mallazo previamente, ya que el conjunto mejorará significativamente la resistencia al aportarse un armado. Se utiliza en todos los métodos. En las EPB con develas, el hormigón se inyecta “gap” entre la excavación y la dovela, dándole cohesión al conjunto. La gunita, es un hormigón proyectado al que se le ha añadido un armado en forma de fibras (metálicas, fibra vidrio, etc.) y que le dará una mayor rigidez estructural. Se suele utilizar para estabilizar el frente antes de colocar el sostenimiento. Será crucial la Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 100 densidad del hormigón y de la cantidad de armado que se le aplica. A mayor espesor de capa, mayor resistencia estructural, siempre hasta un cierto límite. 4. Revestimientos permanentes: - Dovelas: Son piezas de hormigón armado de una longitud aproximada de 1,6 m y con un grosor de entre 30-60 cm en general. La unión de las dovelas forma un anillo que frecuentemente está compuesto por 6-8 dovelas, y la unión del conjunto de anillos forma todo el tubo del revestimiento definitivo. Este tipo de revestimiento se utiliza en tuneladoras y en terrenos blandos. Las dovelas serán de hormigón armado de 40-110 Mpa. La resistencia del hormigón, la cantidad de armado y el grosor variarán dependiendo de las exigencias del terreno atravesado (zonas conflictivas mayor resistencia, armado y grosor). Se fabricarán en plantas próximas al túnel con unos rendimientos aproximados de 7 dovelas/h y 400 anillos/mes cada planta. La ventaja de este revestimiento es la sencillez y automatismo en la colocación y el acabado final. - Encofrados de hormigón mediante la utilización de un Carro encofrador: Para obtener un revestimiento definitivo y con un acabado liso y adecuado a las necesidades del túnel, se realizan encofrados mediante la utilización de una estructura que le dará la forma (Carro de avance encofrador), en zonas dónde previamente se ha hecho un sostenimiento a base de bulones, gunita o cerchas. El hormigón se inyecta entre el carro y la pared excavada. También pueden utilizarse para realizar falsos túneles, requiriendo de varias contratapas para que no escape el hormigón al ser inyectado; previamente se tendrá que hacer la estructura de armado. Las clasificaciones geomecánicas de BIENIAWSKI (1989) y la mejora llevada a cabo por M. ROMANA (2000) son algunas de las recomendaciones para un mayor ajuste en la elección del método de excavación y sostenimientos para las características, geológicas españolas, que nos permitirán tener una primera idea y aproximación de que solución tomar. Figura 4.23. Esquema del anillo de dovelas. Fuente:[A] Figura 4.22. Corona de sostenimiento con bulones. Fuente: [53] Figura 4.24. Fotografía de un acopio de dovelas. Fuente:[Y] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 101 Figura 4.25. Fotografía de sostenimiento con cerchas y trabajadores tirando hormigón proyectado. Fuente:[30] Figura 4.26. Fotografía de un brazo bulonador. Fuente: [30] 4.4. Elección del sistema de excavación Para la elección del mejor sistema de excavación de un túnel hay que considerar diversos parámetros como son: la geología, la geotecnia, parámetros hidrogeológicos, las características del túnel (trazado, sección, etc.), seguridad, aspectos ambientales, situación geográfica, plazos, medios disponibles y costes. La correcta valoración de estos parámetros permitirán realizar la correcta elección del método de excavación más adecuado. Hay que decir que en los túneles de grandes longitudes, como los vistos en esta tesina, prácticamente siempre se utilizara más de un método de excavación, ya que los túneles principales se suelen realizar con TBM’s, pero en las conexiones transversales requieren la utilización de rozadoras, martillos hidráulicos, minadores, explosivos, etc. Esto es debido a que una tuneladora requiere de mucho espacio y no es tan flexible como para ir haciendo tramos de 30-50 m. Son muy importantes los estudios geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos ya que de ellos depende el tener el máximo conocimiento del terreno a atravesar; por eso es de vital importancia la cantidad y sobre todo la calidad de éstos. Este estudio deberá progresar desde un conocimiento general de la zona hasta el particular alrededor del trazado del túnel. El terreno que afecta directamente al diseño del túnel es el relativo a una distancia de 1 a 2 diámetros. Entre estas distancias se deberá llegar al conocimiento más detallado posible sobre estructuras, litologías, grados de meteorización, accidentes tectónicos, etc. A partir de estos datos se tiene que extraer el perfil longitudinal geomecánico y zonificarlo. Este perfil viene a representar la división del túnel en tramos en función de las características geomecánicas del terreno. Para ello utilizaremos las famosas y polémicas clasificaciones geomecánicas (son empíricas), como el RMR de Beniawski, la Q de Barton, Romana (2000), o el reciente índice de excavabilidad del macizo rocoso RME (Rock Mass Excavability Indicador, del profesor Celada presentado en el congreso de la ITA de 2006, en base a las experiencias de Guadarrama, Abdalajís y la L9 del metro de Barcelona). Los resultados obtenidos en estas clasificaciones y de los ensayos geológicos, geotécnicos e hidrogeológicos realizados los introduciremos en los nuevos modelos numéricos de elementos finitos y Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 102 diferencias finitas para realizar el proyecto. De ahí que sea tan importante que estos datos sean correctos y se ajusten al máximo a la realidad del macizo, ya que si introducimos parámetros erróneos en estos modelos el modelo resultante también será erróneo. Figura 4.27. Perfil longitudinal geomecánico y zonificado del túnel de Pajares. Fuente:[F] La heterogeneidad geológica y geotécnica del trazado nos limitará en gran medida los posibles métodos de excavación a escoger. Siendo preferibles casi siempre los métodos que permitan adaptarse bien a los cambios. PRINCIPALES PARÁMETROS EN LA ELECCIÓN DEL SISTEMA DE EXCAVACIÓN Terrenos Rocosos Explosivos y Topos Naturaleza del terreno Terrenos Sueltos Martillos hidráulicos, Fresadoras, Rozadoras o minadores, TBM’s con escudos y EPB Resistencia compresión Método de excavación < 50 Mpa (500 kg/cm 2 ) Martillos hidráulicos, Fresadras y TBM’s con escudos y EPB < 100 Mpa Rozadoras o minadores < 250 Mpa Topos o TBM’s para rocas Resistencia del terreno 80-700 Mpa Explosivos Circular TBM’s y Topos Geometría de la sección Abovedada Rozadoras o minadores, Explosivos, Martillos hidráulicos, métodos tradicionales en general Largos y muy largos TBM’s, Topos y Explosivos Longitud Cortos y largos Martillos hidráulicos, Fresadoras, Rozadoras y Explosivos Tabla 4.9. Principales parámetros a considerar en la elección del sistema de excavación. Fuente: elaboración propia Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 103 CARACTERÍSTICAS DE LA EXCAVACIÓN DE LOS GRANDES TÚNELES FERROVIARIOS Túnel Long. túnele s vía (Km) Diámetr o excav. (m) Recub rimien to máx. (m) Roca predominante y condiciones Condiciones adversas % de túnel de vía excavado con TBM’s Nº de lotes Nº de TBM’s utilizadas Modelos de TBM’s Potenci as TBM’s (kw) Máxima longitud excavada por una TBM (m) Rendimie ntos medios (m/mes) S-229 287,7 S-230 276,1 S-210* 300,8 SaintGothard 2 x 57 8,83, 9,2 y 9,58 2.249 Predomina rocas metamórficas y granito Zonas fuertemente fracturadas, fallas, grandes recubrimientos y altas temperaturas (hasta 45ºC) 87% menos Sedrun, Faido y las galerías de conexión 5 4 ( modific. posteriores en dos de ellas*) S-211* - 14.000 aprox. 339,6 Lyon-TurÍn 2 x 53,1 más 2 x 12 10 aprox. 2.500 (Mont d’Ambi n) Cuarcitas, mármol, conglomerados y rocas metamórficas en general Aguas subterráneas, grandes presiones en el terreno, estallido roca (Rock-bursting) y altas temperaturas (hasta 45ºC) 60% con TBM y el resto con métodos convencionales - Hasta 10 TBM’s - - 12.500 aprox. - S-167 378 Lötschberg 2 x 34,6 y 3 accesos túneles. total 88 9,43 2.300 (Balmh orn) Principalmente sedimentario formado flysch layers (alternancia de sedimentos rocas duras con blandas) Hasta 120 bars de presión de agua, grandes presiones en el terreno, estallido roca (Rock-bursting) y altas temperaturas (hasta 45ºC) Solo el 21% 5 obras en 3 etapas 2 topos abiertas con gripper S-174 - 10.200 645 Herrenknecht (BS) 5.436 439,5 Wirth (BS) 5.700 496,4 Wirth (BN) 5.700 549,3 Guadarrama 2 x 28,4 9,45 992 (Peñalar a) Predomina rocas metamórficas y granito Terreno resistente (>200 Mpa) y abrasivo, altas temperaturas (>45ºC) 100% . 5 4 y todas de doble escudo Herrenknecht (BN) 5.436 14.092 534,9 Herrenknecht (TO) 6.500 Wirth (TE) 6.500 Herrenknecht* 5.700 Wirth 6.500 Pajares 2 x 24,6 9,90 y 10,4 975 (Cueto Negro) Predomina areniscas, cuarcitas, pizarras y calizas Agua, Gas, zonas significativas con mala calidad de roca 90 % 4 5 (cuatro simple escudo y una doble escudo*) Robbins 6.500 10.300 - S-167 San Pedro 8,5 + 0,3 FT 9,45 TBM 82,4 m2 NMA 286 (a 7.250 m de la BS) Intrusión de granitos y granodioríticos en una roca con materiales precámbricos (metasedimentos) Terrenos blandos de muy mala calidad y fallas, atraparon las TBM’s 19 % el reto método conv. 8 2 topos abiertas con gripper mismas de Lötschberg S-174 - - Muy variable 0400 Le Perthus 8,2 + 0,10 FT 9,98 10- >200 m Zonas de granitos y esquistos con intercalación de arcillas Teutónica dúctil y frágil muy compleja con 5 fallas importantes 100% - 4 de Doble Escudo 4 Herrenknecht 4.900 4.100 345 MHI-Robbins 5.000 273 Abdalajís 2 x 7,07 + 2 x 0,23 FT 10 580 Caliza, marga y marga-limosa el 61 % formaciones sedimentarias, flysch, conglomerado y el 13 % lutitas, cuarcitas el 11 %, caliza de dolomita y marga el 9 %, Arenisca y pizarra el 6 % Zonas fracturadas, Gas y mucha agua con fuerte presión 100% 2 2 de Doble Escudo MHI-Robbins 5.000 7.070 255 Tabla 4.10. Características de la excavación de los grandes túneles ferroviarios. Fuente: elaboración propia Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 105 4.5. Análisis de los principales problemas en la excavación de túneles y posibles soluciones Los tres problemas mayores en lo que respecta al proyecto y la construcción de túneles y excavaciones subterráneas son el conocimiento del estado tensional in situ del terreno o macizo rocoso, las propiedades mecánicas del macizo y, en el caso de rocas, las juntas o discontinuidades y sus características. El no poder conocer con suficiente detalle y grado de realidad estos parámetros son la causa que ha provocado la mayor parte de los accidentes y contratiempos bajo tierra. Otro tema importante es el dilema de las clasificaciones geomecánicas y su correcta utilización. El problema básico es que los proyectos se hacen en base a los modelos numéricos de elementos finitos y diferencias finita, y los módulos y propiedades mecánicas que se introducen en estos modelos numéricos salen de expresiones empíricas que no son exactas y que son aproximaciones en general poco detalladas de la realidad del macizo o terreno a excavar. Además hay que tener un elevado grado de experiencia para poder aplicar estas clasificaciones, ya que, por ejemplo, si se estima un RMR de 50 y si se aplican todas las expresiones empíricas existentes te pueden llegar a salir hasta 19 resultados distintos con una variación de 3-45 Gpa.[52]. Pero hay otro problema; si dos expertos distintos analizan los datos de un mismo macizo rocoso generalmente obtienen diferentes RMR. A favor hay que decir que estas clasificaciones geomecánicas como el RMR de Bieniawski, la Q de Barton, etc. son de gran ayuda para resolver, mediante aproximaciones, complejos sistemas impredecibles hasta el momento de los comportamiento del macizo rocoso o terreno. Todo ello hace que la excavación de cada túnel sea distinta, única y, en gran medida, una incertidumbre. En el capítulo 7 podemos encontrar las mejoras previstas en un futuro para estos campos. En el análisis de resultados de los estudios tendremos que tener en cuenta: - Las formaciones geológicas y litológicas específicas. - La clasificación geométrica y determinar las zonas de riesgo por: grandes deformaciones del terreno (Squeezing), gran fracturación de la roca, con previsibles problemas de estabilidad, posibles zonas con estallido de la roca (rock-bursting), descorchados de roca (Spalling), hinchamientos del terreno por absorción de agua, flujo del terreno por mezcla de arena y agua en zonas de falla o Karst, presencia de agua en caudales altos y/o gran presión, presencia de gases tóxicos o explosivos, afección a estructuras cercanas existentes, etc. A continuación analizaremos algunos de los problemas más comunes en la excavación de obras subterráneas y sus posibles soluciones. Para realizar este apartado se ha recopila información sobre las experiencias vividas en la construcción de los túneles de Pajares, San Pedro, Abdalajís, Guadarrama, Gothard y Löetschberg, entre otros. En especial, los de Pajares, por sus problemas con los gases y fallas; el de Abdalajís por sus incidencias con el agua y la exigencia de refuerzos adicionales en el revestimiento debidas a estas fuertes entradas de agua; el de San Pedro por el atrapamiento de sus tuneladoras y la necesidad de cambio de método de excavación una vez iniciada la obra; y, finalmente, el de Gothard por el accidente en la galería piloto que por poco hace fracasar todo el proyecto. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 106 Algunos de los problemas más comunes son: 1. Posible plastificación de las formaciones rocosas. Esto significa que puede existir un riesgo de atrapamiento para las máquinas. Si la velocidad de deformación del macizo en una zona excavada es superior a la velocidad de avance de la propia TBM, el terreno ejercerá una presión en la superficie del escudo que puede llegar a bloquear el desplazamiento de la máquina. 2. Presencia de agua. En este sentido se puede hablar de dos posibles problemas: la aparición brusca y repentina de una masa de agua en el interior del macizo, ligada a las formaciones calcáreas, y la fracturación del terreno, más común en formaciones cuarcíticas y en las zonas de baja cobertera. El principal problema de una red de fracturación muy intensa lo representa el paso de la excavación bajo los valles fluviales, pues puede darse la circunstancia de una posible conexión hidráulica entre el río y el túnel a través de la fracturación del macizo. 3. Zonas de falla. Son zona que suelen dar muchos problemas a las máquinas de excavación de roca dura por la presencia de material brechificado y arenizado. Dicho material, completamente roto y descompuesto producto de los esfuerzos tectónicos, puede tener en ocasiones potencias muy importantes. Si existe agua debido a la intensa fracturación de las zonas de falla, el problema se agrava, pues el material forma una especie de masa plástica que entorpece el trabajo de los cortadores y que puede llegar a bloquear la rueda de corte. La heterogeneidad de formaciones y su estratificación subvertical a lo largo de todo el perfil longitudinal indica que se atravesarán gran cantidad de áreas de contacto entre diferentes litologías y formaciones. La potencia de la caja de falla y el estado del material en esa zona serán los parámetros que gobernarán el comportamiento de la TBM en su interior. 4. Presencia de gases deflagarantes en el material de excavación. Generalmente son zonas con formaciones carboníferas. La presencia de estos gases, de los que el más conocidos es el metano, supone realizar trabajos en una atmósfera contaminada con el riesgo potencial de sufrir una deflagración en el interior del túnel en caso de que la concentración de este gas se sitúe entre el 5 y el 15% de concentración volumétrica en aire. Esta atmósferas de aire mezclado con el metano es lo que se denomina “grisú”. También puede provocar asfixia. Algunas de las posibles soluciones a estos problemas de aplicación en las TBM’s: 1. Si se conoce de antemano la posibilidad quedarse atorada la TBM entonces los escudos deberían ser lo más cortos posible, para disminuir la superficie potencial de atrapamiento. 2. La fuerza de empuje total de las máquinas se ha de establecer en torno a los 180.000 kN, en previsión de grades pérdidas por rozamiento en terrenos con posibilidad de sufrir grandes deformaciones. 3. Ligado a los puntos anteriores (posibilidad de atrapamiento), se puede exigir a los fabricantes la posibilidad de incorporar a la TBM un desplazamiento independiente del eje de la rueda de corte, de forma que se pueda crear el máximo gap posible entre el terreno excavado y la parte exterior del escudo de la TBM. Esto se consigue Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - La experiencia en su realización física - 113 Métodos de excavación Coste inicial de inversión Las razones Coste operativo Las razones Voladuras y excav. martillos Bajo Disponibilidad, precios bajos y requieren de poco espacio y tiempo para empezar a producir. Medio Se suelen producir sobreexcavación, requiere de mayor cantidad de revestimiento. Rozadoras y minadotes Medio Requieren de ciertas instalaciones como acometidas eléctricas y cintas transportadoras para desbroce. Bajo Son máquinas que sino se averían el rendimiento es constante y preciso. Tuneladoras (TBM’s) Elevado Son muy caras, requieren de complejas instalaciones, mucho espacio y tiempo de montaje y personal cualificado Elevado Mantenimientos caros y lentos que requieren personal especializado. Repuestos difíciles de conseguir. Tabla 5.6. Costes de inversión inicial y operativos de los distintos métodos de excavación. Fuente: elaboración propia Actualmente para la elección final del método constructivo se están utilizando programas informáticos de análisis de riesgos. Estos programas trabajan con valores estadísticos de las características del terreno. Valoran los posibles riesgos de las distintas alternativas y proporcionan la solución más óptima, obteniendo como resultado costes y plazos de obra, también de forma estadística, y que son representados en gráficos como los de las figuras 4.33. Figura 4.33. Plazos mínimo, máximos y medios de la ejecución del túnel de Pajares. Fuente: [37] Figura 4.34. Estudio de riesgos de la alternativa escogida en el túnel de Pajares. Fuente: [37] Analizando el coste por kilómetro construido de los grandes túneles (que son de doble tubo y con galerías de emergencia, etc.) de más de 20 km podemos extraer un precio medio estimativo de unos 60 M€/Km. En túneles de estas mismas características pero de longitudes menores a 20 Km el coste se suele reducir alcanzando un valor medio aproximado de 38 M€/Km. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 113 Capítulo 5. MEDIDAS DE SEGURIDAD EN TÚNELES FERROVIARIOS Los túneles son obras en que su espacio está limitado a la sección transversal, esto significa que no son accesibles desde cualquier punto y sus características geométricas adquieren una gran relevancia en el grado de dificultad a la hora de resolver una emergencia en su interior. El acceso de los servicios exteriores para realizar una posible evacuación de forma rápida, es más complejo que en cualquier otro punto del exterior. Por lo tanto es necesario que existan una serie de medidas mínimas obligatorias de seguridad que garanticen un nivel de riesgo aceptable. Existen conceptos básicos de seguridad, por encima de criterios de rentabilidad económica y social que deben garantizarse. Las diferentes medidas de seguridad a adoptar en los túneles pueden ser clasificadas según su función, habiendo las que intentan evitar que se produzca un accidente, las que intentan reducir el daño producido por un accidente, las que facilitan la protección civil de los pasajeros y trabajadores y las que facilitan el acceso de los servicios de emergencia exteriores. Para poder llevar a cabo estas medidas se tienen que realizar estudios de seguridad del tipo cuantitativo y en especial del tipo cualitativo que garanticen la seguridad durante la fase de construcción y explotación, siendo esta última fase la que requiera de un mayor gasto económico. 5.1. Seguridad durante la construcción Durante la construcción, tanto la promotora, el contratista, como la dirección de obra deben velar por que se cumplan siempre las normas de riesgos laborales. Estas normas se encuentran enmarcadas en la ley del 31/95, de 8 de Noviembre, en materia de Prevención de Riesgos Laborales y el Real Decreto 1627/97, de 24 de Octubre, en el que se establecen disposiciones mínimas de seguridad y salud en las obras de construcción. En esta tesina no profundizaremos en el estudio de la seguridad en la fase de construcción sino que nos centraremos en la seguridad en la fase de explotación. Aun así hay que remarcar que una buena organización, limpieza y orden en los tajos más una adecuada señalización e iluminación eliminan riesgos. Además, hay dos actuaciones que serán clave para reducir en gran medida el número de accidentes en esta fase, y en especial para túneles de grandes longitudes: 1. Intentar siempre que sea viable la excavación con métodos de frente cerrado. La utilización de TBM’s permite en general realizar una excavación mucho más segura que utilizando métodos convencionales de frente abierto. 2. El control en el acceso de personas a la obra (esto permite que sólo entre personal autorizado y con los correspondientes equipos de protección individual “EPI’s” de uso obligatorio), y el posicionamiento de cada trabajador dentro del túnel (si es posible, con un sistema de localización como el utilizado en la construcción del Saint-Gothard que permite conocer la situación dentro del túnel de cada trabajador en tiempo real). Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 114 5.2. Seguridad durante la explotación La seguridad absoluta resulta imposible tanto a nivel técnico como económico. Ya que las posibles consecuencias de un accidente pueden provocar en sus distintas combinaciones un sinfín de escenarios, improbables pero no descartables al cien por cien. Las medidas de seguridad han de ser elaboradas conforme a un concepto un tanto general, pero que prometa éxito en la mayor parte de los casos que se puedan presentar. Esto no quita, sin embargo, que el éxito de estas medidas de emergencia pueda verse cuestionado en algunos casos concretos debido a condiciones extremas que se puedan dar. Por lo tanto la probabilidad y el posible daño de un siniestro han de evaluarse razonablemente. Para ello se parte de sucesos primarios típicos. Las medidas de seguridad han de velar suficientemente par la protección de los viajeros, del personal ferroviario y del personal de intervención exterior. 5.2.1. Supuestos riesgos y medidas de eliminación La ETI (Especificación Técnica de Interoperabilidad) de la seguridad en los túneles ferroviarios se aplica a todas las partes de interés para la seguridad de las personas en el túnel durante la explotación. El frente para la salvaguardia de la seguridad en los túneles comprende cuatro líneas de defensa: la prevención, la mitigación, la evacuación y el rescate. En la siguientes figuras podemos ver las medidas de salvaguardia y los supuestos de riesgo que se consideran. Figuras 5.1. y 5.2. Frentes para la salvaguardia de la seguridad en los túneles y los supuestos riesgos. ETI seguridad túneles ferroviarios (2008/163/CE). Fuente [54] Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 115 Básicamente los tipos de incidente que pueden suceder durante la explotación se pueden clasificar de la forma siguiente: - Incidentes “calientes”: incendio, explosión seguida de incendio y emisión de humos o gases tóxicos. - Incidentes “fríos”: colisión y descarrilamiento. - Parada prolongada: evacuación espontánea. También es necesario definir las distintas situaciones tipo en que se puede producir cada incidente y valorar estadísticamente la probabilidad de estas situaciones, mediante la utilización de nuevos programas que definen modelos de riesgo de accidente en túneles. 5.2.2. Especificaciones comunes de las distintas normativas de seguridad Existe una gran variedad de normativas de seguridad para túneles: - Especificación técnica de interoperabilidad sobre seguridad en los túneles en los sistemas ferroviarios transeuropeos convencional y de alta velocidad (2008/163/CE). - Norma técnica IOS 98 que se aplica en España. - Norma técnica complementaria a la IOS 98 de aplicación en Barcelona. - Medidas de seguridad en nuevos túneles ferroviarios. Protección civil RENFE (2000). - Normativa Francesa del CETU. - Rapport IF 4/91. Recomendaciones de la UIC. Cada normativa de seguridad realiza su clasificación particular, coincidiendo en el concepto pero variando en los parámetros de los resultados y todas presentan un grado de detalle en la solución distinto. Por ejemplo la IOS 98 de aplicación en España, habla de túneles carreteros y ferroviarios pero de forma muy general. En cambio la CETU (francesa) llega a un alto grado de detalle en cuanto a túneles carreteros. Hay varios aspectos donde todas las normativas coinciden como por ejemplo en que el túnel de vía única con conexiones transversales entre tubos principales son más seguros que los de doble vía (se elimina por completo la posibilidad de que un tren que haya descarrilado sea envestido por otro en sentido contrario, se elimina la posibilidad de cruce entre un tren de alta velocidad y uno de mercancías dentro del túnel ya que resulta peligroso) o en que el accidente que entraña más riesgo es el que deriva en un incendio. Por ello son muy importantes los sistemas de ventilación, detección y extinción de incendios. No obstante ninguna de las normativas europeas comentadas da soluciones específicas para los túneles de gran longitud, pero todas coinciden en que estos túneles (de más de 10 km en general) requieren de una investigación especial de seguridad que puede dar lugar a la especificación de medidas de seguridad complementarias. En el caso de los grandes túneles como los transalpinos o los submarinos, las medidas de seguridad que serán adoptadas o que se han adoptado son objeto de un estudio específico sobre las características particulares del túnel y del tráfico que deberá llevar. La única manera de poder establecer cuáles son los aspectos más importantes relativos a seguridad en túneles de gran longitud consiste en mirar cómo se ha resuelto o cómo se va a resolver esta problemática en otros túneles de similares características. Los casos analizados para proyectar los nuevos túneles de base transalpinos y españoles fueron el del Eurotunnel y éste, a su vez, se inspiró en el túnel de Seikan. El aspecto más importante adoptado en todos Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 116 ellos es la construcción del doble tubo o triple tubo (Eurotunnel), que sirve como garantía de una posible evacuación en caso de accidente. Se espera que una vez terminados los nuevos túneles de base, se tengan más referencias para poder redactar unas ETI (Especificación Técnica de Interoperabilidad) especificas para la seguridad en los túneles ferroviarios de grandes longitudes ya que las actuales sólo hacen referencia a túneles de longitudes menores a 20 km y sólo mencionan que los de mayor longitud requieren de un estudio especial. En el siguiente apartado analizaremos alguna de las medidas de seguridad que se instalaron por primera vez en el Eurotunnel y que posteriormente se han exportado al resto de grandes túneles. 5.2.3. Medidas de seguridad instaladas en el túnel del Canal de la Mancha (Eurotunnel) Las medidas de seguridad en el Eurotunnel fueron puestas de manifiesto en el accidente ocurrido en 1996, en el que se produjo el incendio de un camión en uno de los trenes de transporte. La evacuación a través del túnel de servicio evitó que hubiesen víctimas mortales, aunque el incendio fue intenso y necesitó la intervención de los bomberos durante muchas horas provocando cuantiosos daños materiales. El incendio de un camión fue también la causa del accidente del túnel de Mont-Blanc en marzo de 1999, pero por el contrario, en este caso tuvo efectos catastróficos (39 muertos). Este túnel carretero era de doble sentido. Seguramente si hubiera sido de sentido único con doble tubo interconectado no hubiera muerto nadie, ya que habrían podrido evacuar el túnel con facilidad. Los reducidos refugios sin salidas a zona segura no soportaron las altas temperaturas que se alcanzaron, convirtiéndose en ratoneras para la gente allí refugiada. Esto podría indicar que las medidas de seguridad en el túnel bajo el canal de la Mancha han sido cuidadas y por ello constituye un buen ejemplo a seguir en la construcción de nuevos túneles. Aunque los técnicos consideran que en los túneles de base la construcción del tercer túnel de servicio es excesivo ya que su coste de construcción es muy elevado y no aporta un nivel significativo de mejora en la seguridad. En el Eurotunnel se consideraron cinco aspectos principales para asegurar un alto nivel de seguridad y que posteriormente se han exportado a otros túneles: - Un incansable trabajo para diseñar y manufacturar equipamiento seguro y proveer un sistema seguro, planeando riesgos. - Contratación de personal cualificado, con formación en cultura de seguridad activa. - Elaborar un sistema informático de gestión de la seguridad accesible a todo miembro del personal. - Preparación por parte de operadores futuros del reglamento de operación, aprobado por expertos en seguridad independientes - Análisis de accidentes o incidentes para descubrir la raíz de los problemas. Este último punto es muy importante ya que con el estudio de los accidentes ocurridos en diferentes túneles durante su vida útil se extraen valiosísimas conclusiones que mejoraran los futuros túneles. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 117 Ventilación En el Eurotunnel la ventilación de los tres tubos se puede conseguir a base de hacer circular aire fresco a través del túnel de servicio. Controlando la liberación de aire en los túneles de tránsito, se puede mantener el túnel de servicio constantemente presurizado, de forma que sea un refugio seguro en el caso del incendio de un tren. Además, los servicios de emergencia pueden acceder al lugar del accidente incluso si los dos túneles de tránsito están ocupados por trenes. Hay otros sistemas de ventilación de emergencia, a través de los túneles de circulación, con el objeto de impedir una rápida propagación de humo. En caso de tener que luchar contra los humos, se invierte el flujo de ventilación para asegurar la seguridad de los pasajeros; y desde el centro de control se puede modular el funcionamiento según las necesidades. Figura 5.3. Esquema del sistema de ventilación del Eurotunnel. Fuente [14] Prevención, detección y extinción de incendios Las fuentes de incendio más probables en un túnel son los propios trenes en circulación y el equipamiento eléctrico. Excavados entre túneles de circulación y el túnel de servicio hay salas de equipamiento técnico, con detectores de fuego ópticos, infrarrojos y ultravioletas, además de detectores de humo por ionización de gas. Dichos detectores activan una alarma local y en el centro de control, así como extintores de fuego automáticos. En el interior de los vehículos, el fuego es más fácilmente detectado por los pasajeros o el personal a bordo, pero no en los trenes de transporte de vehículos o mercancías. Por esto se han instalado también detectores de humo en el túnel. Si se recibiera una alarma, el tren que pudiera estar en situación de incendio sería obligado a circular a velocidad reducida, mientras que los trenes detrás de él serían detenidos. Las puertas en los cambios de vía serían cerradas para evitar que el humo afectase también al otro túnel de circulación. Si fuera necesaria la lucha contra el fuego en el interior del túnel, hay una tubería de 250 mm de diámetro que proporciona presión a hidrantes colocados cada 125 metros. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 118 Sistemas de cierres En las galerías de conexión hay instaladas puertas RF y suficientemente robustas para soportar la presión del agua en caso de inundación. Figura 5.4. Puertas RF y presurizadas de una galería de Figura 5.5. Puertas RF de una galería de conexión conexión transversal del Eurotunel. Fuente [14] transversal de un túnel no submarino. Fuente [14] Dos juegos de cruce de vías dividen los túneles de circulación en seis segmentos. Las dos cavernas de cruce de vías se dividen longitudinalmente por medio de grandes puertas, con el objeto de mantener la ventilación independiente. Las puertas están conectadas al sistema de señalización, y sólo se abren para permitir el paso de un tren de uno a otro túnel. Figura 5.6. Puerta que comunica los dos túneles de circulación en los cruces de vías. Fuente [14] Estaciones de bombeo Como los trenes circulan a gran velocidad por estos túneles, crean presiones de aire elevadas, las cuales, unidas al calor desprendido por los trenes, provoca aumentos de temperatura. Es por ello que es necesario un sistema de refrigeración con agua fría circulando a través de unas canalizaciones dispuestas a lo largo de los dos túneles de tránsito. Numerosas estaciones de bombeo han sido construidas en la parte submarina del túnel, para asegurar que no se acumule agua en caso de que ésta entrase accidentalmente. Aunque es muy difícil la entrada masiva de agua en el túnel, sí puede haber infiltraciones, roturas de canalizaciones o la activación de algún dispositivo anti-incendio automático. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 119 Señalización Para reducir al máximo el riesgo debido a los errores humanos, se ha adaptó un sistema de seguridad automática de los trenes a través de los códigos de velocidad y la señalización en cabina. Las señales son mostradas en la cabina, los datos se transmiten al tren a través de equipos instalados a lo largo de la vía, los cuales detectan la presencia de trenes delante, pendientes locales, limitación de velocidad permanente o temporal. El equipo instalado a bordo de los trenes recibe esos datos y los compara con las características del propio tren, para calcular así la velocidad máxima en condiciones de seguridad. Si la velocidad fuera mayor a la permitida, se pone en marcha un sistema de frenado automático, el cual lleva al vehículo de nuevo dentro de la curva de frenado necesaria y permite al maquinista volver a tener el control del tren. Equipamiento fijo Debido a la gran cantidad de tráfico, la vía requiere de un cuidado especial. Pero si hubiera un descarrilamiento, a pesar de los detectores de cajas sobrecalentadas o frenos bloqueados, los andenes laterales a ambos lados del túnel mantienen al tren en posición y alineado. Hay grupos electrógenos para poder suministrar energía de iluminación, bombeo y señalización en el caso de que ambas redes (red francesa e inglesa) eléctricas fallaran. El sistema ATP (protección automática de tren), se consigue mediante el sistema de señalización TVM430, el cual fue desarrollado para el TGV Nord. Este sistema utiliza circuitos de vía para indicar en el tren las curvas de freno necesarias para mantener los límites de velocidad y evitar colisiones. Adaptado a cada modelo de tren diferente, debido a sus diferentes características de frenado. Si algún maquinista no mantuviera el límite de velocidad indicado, automáticamente se conectaría el freno. Hay un centro de control en cada terminal, cada uno con tres salas separadas. Una supervisa el flujo de tráfico y funciones locales en la terminal, pero no el movimiento de los trenes. La segunda supervisa la vía, la maquinaria y el suministro de energía. La tercera es una sala de incidentes que puede ser utilizada por el personal de Eurotunnel o de los servicios de emergencia locales si fuera necesaria su ayuda. Sistemas de comunicaciones Toda la maquinaria, señalización y una extensa red de telecomunicaciones están controladas digitalmente con tres cables de fibra óptica que forman el elemento central de la comunicación en el Eurotunnel, además de transmitir datos sobre la coordinación del tráfico. Están dentro de tuberías de acero, una por cada túnel. La fibra óptica es inmune a la interferencia eléctrica, y si se corta el cable no sufre cortocircuito, de forma que se pueden recibir señales a cada lado del corte. Se ha previsto asimismo que el sistema continúe en funcionamiento incluso en el caso que dos de los tres cables fueran cortados en el mismo sitio. Hay numerosos terminales de teléfono tanto en las terminales como en los túneles, conectados a las redes telefónicas de ambos países. Además de esto, hay al menos cuatro sistemas de radio independientes. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 120 Medidas de seguridad de los trenes Un sistema implementado en los vehículos permite mantener en movimiento a un tren 30 minutos después de haberse detectado un incendio. De esta forma, el tren puede salir del túnel y llegar a una vía muerta de la terminal de forma que el problema sea tratado al aire libre (se muestra esta zona en la figura 5.7.). Mientras esto ocurre, los pasajeros son llevados a parte más seguras del interior del tren. Si esto fallase y el tren se detuviera, la parte dañada podría ser separada del resto, permitiendo a los pasajeros escapar en la parte móvil; y si esta medida también fallara, los pasajeros pueden ser evacuados por el túnel de servicio. Figura 5.7. Vía destinada a las actuaciones de emergencia en el exterior. Fuente [14] Se han dispuesto barreras contra el fuego al final de cada coche, de forma que el coche adyacente se convierte en un refugio seguro. El piso también es resistente al fuego durante 30 minutos. Todos los materiales usados son resistentes al fuego y liberan el mínimo humo posible al estar en condiciones de fuego, también se controla la ventilación para evitar la propagación acelerada del humo. Los trenes estarán equipados con diferentes equipos de extinción. Fases de evacuación La evacuación de pasajeros en caso de incendio es un elemento principal en los túneles, y es la situación que requiere la evacuación más rápida y eficaz. En el Eurotunnel, las principales fases de la evacuación son: 1. Evacuación de un vehículo en llamas a un vehículo adyacente mientras el tren sigue su camino a la terminal. 2. Evacuación de una sección en llamas de un tren a otra sección, abandonando la parte en llamas en el túnel. 3. Evacuar a los pasajeros de un tren inmovilizado al túnel de servicio, que está constantemente bien presurizado. 4. Hacer salir a todos los demás trenes de los túneles, incluso en sentido inverso si es necesario. La galería de servicio dispone de vehículos. Normalmente son utilizados para labores de mantenimiento, pero en caso de emergencia sirven como medio de acceso al túnel de bomberos y equipos de atención médica. Servicios de emergencia Los procedimientos franceses y británicos en caso de emergencia difieren en ciertos aspectos, de forma que se ha realizado un Plan de Emergencia Bilateral. Para probar su eficacia, se prueban periódicamente diversos tipos de simulacros. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Medidas de seguridad en túneles ferroviarios - 121 5.2.4. Medidas de seguridad más importantes a considerar MEDIDAS DESTINADAS A LA PREVENCIÓN DE ACCIDENTES MEDIDA OBJETIVO Control de la velocidad, control de fallos peligrosos en los trenes. Detectar a tiempo fallos que podrían ser peligrosos para la circulación en general. Protección de locales técnicos contra el fuego. Permite que el fuego no llegue tan rápidamente a los locales técnicos. Control de inundaciones. Evacuar el agua del interior del túnel. Limitación de los cruces de los trenes de viajeros y de mercancías en túnel. Eliminar riesgos potenciales creados por la mayor carga de incendio del tren de mercancías. Control de tiempo de circulación en túnel, y conocimiento inmediato de si ha habido un frenado de emergencia. Permite conocer si hay indicios de un accidente y actuar con tiempo. Colocación de dispositivos de aireación sobre vagones cisterna. Reduce el riesgo de explosión o de incendio en este tipo de vagones. Control del estado del túnel y de la vía. Se detectan de forma temprana irregularidades potencialmente peligrosas. Sistema de control de ocupación de vías (circuitos de vía). Asegura que no se produzcan alcances pues mantiene la distancia de seguridad. Protección contra intrusos. Impide que personas no autorizadas puedan entrar en el interior del túnel. Fragmentación de la catenària. Evita que los trenes queden detenidos en le túnel si ha habido algún incidente en alguna de sus secciones. MEDIDAS DESTINADAS A REDUCIR LA GRAVEDAD DE UN ACCIDENTE MEDIDA OBJETIVO Extinción de incendios en el interior del túnel. Lucha contra incendios. Tomas de suministro eléctrico. Utilización por parte de los servicios exteriores en general. Extracción de humos en el interior del túnel. Aumenta las posibilidades de salvamento, al facilitar la evacuación con atmósfera poco contaminada, además de facilitar la intervención de los servicios exteriores. Protección de las líneas y cables del interior del túnel. Se asegura el funcionamiento de ciertas instalaciones incluso después de un accidente o incendio. Detectores de incendio, de gas y de humo en el interior del túnel. La alarma es rápida y se detecta de inmediato el lugar del incendio. Desconexión de la climatización de los vehículos. Impide una propagación más rápida de un posible incendio iniciado en uno de las vehículos. Supresión de la señal de alarma y el freno de emergencia en el túnel; bloqueo de puertas. Impedir una parada involuntaria del tren en el interior del túnel y asegurar un descenso seguro de sus ocupantes. Banalización de las vías. Permite que un tren evacúe el túnel en caso de emergencia en cualquiera de los dos sentidos de circulación. Mantenimiento de la capacidad de circulación y de mando del tren en caso de incendio. El tren puede salir del túnel y ser intervenido desde fuera, de forma más sencilla y accesible. Protección contra incendios en los coches. Reducir el riesgo de incendio en los coches o impedir una propagación rápida del fuego. MEDIDAS DESTINADAS A FACILITAR LA PROTECCIÓN ASEGURADA POR EL PERSONAL DEL TREN MEDIDA OBJETIVO Sistemas de comunicación. Permitir el intercambio de información entre el tren y el Centro de Control de Tráfico. Facilitar la coordinación de las tareas de los servicios exteriores. Iluminación de emergencia. Contribuye a evitar el pánico y aumenta la seguridad de la evacuación en el interior del túnel. Salidas de emergencia, pozos de emergencia. Permiten la evacuación de los pasajeros hacia una zona segura, y facilitan el acceso de los servicios exteriores. Acondicionamiento de rutas de emergencia. Permite unas condiciones de evacuación adecuadas, además, en general esas rutas también sirven como andenes que evitan el vuelco del tren en caso de descarrilamiento. Colocación de extintores en el interior del túnel. Permiten rapidez de manejo en la lucha contra incendios. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Afección al medio ambiente - 128 - Evitar las zonas de interés ecológico y especialmente las protegidas en el trazado en superficie. - Realización de estudios rigurosos que evalúen las posibles incidencias en la vulnerabilidad del agua subterránea, como consecuencia de la construcción del túnel. - Situar las bocas del túnel en terrenos que permitan excavaciones reducidas. - Cubrir de tierras la trinchera de emboquille, sobre túneles artificiales. - Restaurar la explanada exterior de obra, una vez finalizada la fase de construcción. - Estudiar la ubicación de vertederos (canteras abandonadas, zonas degradadas, etc.), estos tienen que ser controlados y cumplir con todas las normativas exigidas. - Intentar realizar transporte a vertedero mediante cinta o ferrocarril, si los caminos atraviesan zonas urbanas. En la actualidad está aumentando la demanda de obras subterráneas por motivos medio ambientales. OBRAS SUBTERRÁNEAS QUE MÁS SE VAN A DEMANDAR POR MOTIVOS MEDIOAMBIENTALES ZONA URBANA ZONA RURAL Túneles ferroviarios 10% 16% Túneles carreteros 14% 76% Túneles hidráulicos 2% 8% Metropolitanos 52% - Aparcamientos 22% - Tabla 6.2. Obras subterráneas que más se van a demandar en los próximos años por motivos ambientales. Fuente: Elaboración propia. Como conclusión, podemos decir que todos los estamentos coinciden en determinar que la obra subterránea y en especial el túnel, son mejores ambientalmente que las obras a cielo abierto, pero el problema intrínseco que tienen es la dificultad técnica y el elevado coste que acarrean. Aún con todo cada vez se están construyendo más cantidad de túneles y de mayor calidad. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 127 Capítulo 7. TENDENCIAS FUTURAS EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES En los próximos años se esperan grandes avances en la técnica, materiales e innovación, que permitirán la realización de grandes proyectos que hasta ahora eran impensables de realizar. Como ya hemos comentado anteriormente, el crecimiento demográfico, la concentración de la población en las ciudades y la demanda de establecer conexiones rápidas y seguras entre las distintas áreas geográficas, está fomentando la demanda de construcción de obras subterráneas de todo tipo. Por todo ello, la Plataforma Tecnológica Europea de Construcción (ECTP) que trata temas de Innovación en la Industria de la Construcción, establece 7 áreas de prioridad. Concretamente la Industria de la Construcción Subterránea se trata en la prioridad B: Innovative Use of Underground Space, [11] que comprende 7 apartados: B-1 Nuevos Conceptos: Integración de los usos subterráneos. B-2 Adecuación y renovación de las estructuras subterráneas existentes. B-3 Nuevas Tecnologías de Construcción de túneles (TUNCONSTRUCT). B-4 Nuevos Procedimientos y tecnologías de comunicación (ICT, TUNCONSTRUCT). B-5 Subsuelo Transparente para la Planificación Urbana en 3D. B-6 Modelización n-D de la Construcción de Túneles; (modelos digitales, y herramientas e simulación-modelo de información subterránea). B-7 Nuevos Materiales. Para llevar a cabo esta iniciativa europea en innovación tecnológica, se están realizando una serie de proyectos en los que participan empresas y universidades de 11 países, y donde están incluidas las españolas. En este capítulo analizaremos algunos de estos avances que actualmente se encuentran en fase de estudio o de reciente implantación, y alguno de los proyectos más significativos. 7.1. Proyectos europeos de investigación para la obra subterránea Existen varios proyectos de investigación que se iniciaron hace pocos años, como por ejemplo el: FIT (Base de datos consultable y recomendaciones. 2001-2005), DARTS (Coste óptimo e infraestructura duradera. 2001-2004), SAFE TÚNEL (Medidas preventivas de seguridad. 20012004), SIRTAKI (Gestión avanzada del túnel. 2001-2004), VIRTUAL FIRES (Simulador de incendios en túnel. 2002-2005), UPTUN (Mejora de los túneles existentes e innovación. 20022007), SAFE-T (Recomendaciones europeas normalizadas. 2003-2006), L-SURF (Infraestructura de investigación, gran escala de seguridad/protección de espacios. 2005-2008), TUNCONSTRUCT (Plataforma de optimización integrada. 2005-actual.), ITA COSUF (Comité sobre la seguridad en operación y exploración. 2005-actual.). Todos ellos han obtenido y están obteniendo muy buenos resultados. El objetivo común es poder alcanzar la Calidad Global en el conjunto de las diferentes áreas técnicas e industriales que conforman el poder construir una obra subterránea. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 128 En los túneles existentes en servicio se utilizan los proyectos UPTUN y SAFET, pero los futuros túneles se diseñaran utilizando los resultados de los proyectos DARTS y SAFE-T. El proyecto actual más ambicioso y en el cual también participa la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), es el TUNCONSTRUCT realizado por la UE dentro de la plataforma tecnológica ECTP. Se trata de un proyecto interdisciplinar integrado (diseño, construcción, explotación, reparaciones y tráfico). Figura 7.1. Esquema de utilización de los proyectos. Fuente: [45]. Figura 7.2. Proyecto TUNCONSTRUT; sub-proyectos e interacción con UCIS. Fuente: [I]. Este proyecto es una herramienta destinada a obtener la Calidad Global de las Infraestructuras Subterráneas, considerándolas como un proceso que se desarrolla en diferentes fases de la estructura subterránea: Diseño-Construcción-Explotación-Mantenimiento, durante toda su vida útil. Esta Calidad Global permitirá elegir la solución de coste total mínimo esperable, evaluando los costes necesarios para mitigar todos los riesgos generados durante su vida útil. [ ] min/min )( ECCCCC DemoliciónremanenteRiesgonExplotacióónConstrucciTE ⋅+++= (7.1.) Los conceptos que comprenden las cuatro áreas de innovación son de aplicación en las distintas fases por las que pasa cualquier estructura subterránea. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 129 7.2. Las técnicas más avanzadas Podemos decir que las áreas donde se van a producir los mayores avances, son: - En investigación geológica y geotécnica (más cantidad y de mayor calidad). - En el desarrollo de las áreas críticas de la mecánica de rocas y suelos. Ya que la caracterización, modelación y análisis de los macizos rocosos están sujetos a la incertidumbre y esta incertidumbre es tanto mayor cuanto mayor es la complejidad del macizo. Actualmente podemos decir que todavía “no vemos bien bajo tierra”, esto en el futuro mejorara considerablemente. Los métodos sísmicos experimentaran un importante desarrollo. - Mejoras en la incertidumbre de datos, análisis de riesgo y por lo tanto en la ingeniería de toma de decisiones. - Mejoras en las bases de datos, técnicas de modelización y cálculo. - Avances en la seguridad (fases de construcción y explotación) y por lo tanto en todas las instalaciones necesarias para garantizar esta seguridad (ventilación, iluminación, comunicación, sistemas de emergencia, etc.), con la ayuda de los nuevos materiales. - Mejora y descubrimiento de nuevos materiales que nos aportaran: nueva maquinaria de corte y extracción, nuevos revestimientos, nuevos productos (aditivos, hormigones, resinas, etc.), con propiedades y comportamientos completamente nuevos. - Avances en Instrumentación, auscultación, topografía (satélite GPS posicionamientos más precisos) y en la formación técnica de los operarios. Un ejemplo claro de cómo se está mejorando en estos campos, lo podemos constatar con las áreas de innovación del proyecto TUNCONSTRUCT. Las áreas SP2 y SP4 son desarrolladas por empresas (FCC y Dragados S.A. respectivamente) y en colaboración con universidades españolas (UPC). TUNCONSTRUCT. ÁREAS DE INNOVACIÓN ÁREA HERRAMIENTAS MÉTODO INNOVADOR OBJETIVO (SP1) DISEÑO - Nuevos métodos computacionales de precisión. - Nuevos software de simulación numérica. - Programas acoplados de cálculo DEM, FEM, BEM. - Nuevos modelos de rotura de suelos y rocas. - Usos de la inteligencia artificial. - Técnicas holísticas (lógica-difusa). - Extracción inteligente de datos nuevos. - Criterios de diseño y de construcción. - Una base de conocimiento experto de ingeniería subterránea. - Construcción subterránea virtual simulada con computadora, utilizando plataformas integradas de optimización. - Diseño holístico del sostenimiento-revestimiento evaluando el riesgo (lógicadifusa). - Mejora las capacidades de predicción y diseño de la ingeniería subterránea, para reducir costes, tiempos de ejecución y los riesgos. - Ayuda al proyectista. - Mejora la eficiencia y fiabilidad económica y la calidad del proyecto. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 130 (SP2) NUEVAS TECNOLOGÍAS - TBM de mayores diámetros para cualquier terreno. - Uso de robots en la construcción: maquinaria automática robotizada, gunitado, bulonado, rozadoras. - Nuevos cortadores de disco con control de desgaste. - Nuevos hormigones proyectados. - Nuevas dovelas. - Nuevos aditivos, espumas y explosivos. - Uso de nuevos sensores para incrementar la seguridad. - Desarrollo de tecnologías innovadoras en construcción subterránea. - Desarrollo de materiales durables para los sostenimientos y revestimientos, los tratamientos del terreno y los procedimientos de la explotación de la construcción. - Incremento de la calidad final (Calidad Global). - Minimización del impacto al medio ambiente a largo plazo. (SP3) NUEVOS PROCEDIMIENTOS - Plataforma integrada de optimización del procedimiento. - Nuevos procedimientos sísmicos para TBM. - Escaneado del frente. - Sistemas móviles de sensores para inspección. - Escaneado con láser de bajo coste. - Control optimizado de TBM. - Sistema de toma de decisiones. - Sistema web de base de datos relevantes de una obra subterránea a lo largo de su vida útil. - Sistema de información UCIS. - Explotación automatizada. - Realidad visual aumentada. - Visualización de datos, realidad virtual. - Mejora de los procedimientos de construcción. - Promover el intercambio de información. - Supervisión eficiente durante la construcción (monitoring) en tiempo real. - Visualización de datos geológicos. - Calidad global. (SP4) SERVICIOS - Sensores especializados. - Inspección robotizada integrada y sistema de servicio. - Supervisión después de la construcción (monitoring) e inspección de aparatos. - Sistemas de análisis de la gestión y del servicio durante la vida útil. - Métodos de reparación y servicio. - Control estructural automatizado con nuevos sensores. - Control de la estabilidad durante la vida útil del túnel. - Nuevos sistemas móviles de grabación de datos. - Robots para inspección y vigilancia (IRIS). - Modelo de integridad estructural (ESIT). - Instrumentos de gestión del mantenimiento. - - Incremento del rendimiento y la reducción de coste de mantenimiento y explotación. - Calidad global. - Coste total mínimo. Tabla 7.1. Áreas de innovación del proyecto europeo TUNCONSTRUCT. Fuente: [I], [45] Todo este desarrollo necesita básicamente de nuevos avances tecnológicos en los campos de: la Automática, la Robótica, la Nanotecnología, la utilización de Materiales Compuestos más ligeros y resistentes y sobre todo la Mecatrónica. Esta última es la nueva ingeniería, que comienza en Japón en los años 80 con la fabricación de los primeros robots. Integra diferentes campos de la ingeniería como: la Mecánica de Presión, la Electrónica y la Micro-Electrónica, la Computación, la Inteligencia Artificial y los Sistemas de Control. TUNCONSTRUCT. ÁREAS DE INNOVACIÓN ÁREA HERRAMIENTAS MÉTODO INNOVADOR OBJETIVO Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 131 Otra ciencia de gran importancia, que aportará una revolución industrial hacia el año 2030, será la Nanotecnología. Esta revolución tecnológica permitirá alcanzar los últimos objetivos propuestos en el actual Plan Estratégico de la Comisión Europea de octubre de 2005. La Nanotecnología es la ciencia que estudia, diseña, construye, sintetiza, manipula y aplica los materiales, aparatos y sistemas funcionales, mediante el control de la materia a un tamaño de nanoescala (materia de dimensiones entre 1nm – 100nm), donde 1nm=10 -9 m. Los materiales a esta escala nano tienen propiedades muy diferentes a los de los materiales visibles de tamaño macro. Las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas no siguen las leyes de la mecánica de Newton, sino las leyes de la mecánica cuántica. Figura 7.3. Tecnologías relacionadas con la Mecatrónica. Fuente: [45]. 7.3. Materiales de última generación Esta nueva tecnología de fabricación de nanomateriales aportará multitud de mejoras en las distintas áreas de la industria de la obra subterránea, especialmente por sus nuevas propiedades. NUEVOS MATERIALES TIPOS CARACTERÍSTICAS Compuestos Composites (FRP) Matriz: metálica o de materiales plásticos (resinas epoxy, fenólicas, poliesteres no saturados). Aditivos y fibras (acero, vidrio carbono): altas resistencias, propiedades especiales. Materiales Cerámicos Muy resistentes a la corrosión y a elevadas temperaturas. Nuevos Hormigones Hormigones poliméricos: Más resistentes y ligeros, mayor resistencia al fuego, resinas/polímeros + cemento + fibras. Hormigones reforzados con fibra (FRC): Mayor resistencia a la rotura, fabricación adecuada a las solicitaciones que tienen que soportar. Hormigones autocompactantes (SCC): No necesitan vibrado, mayor durabilidad y mejor acabado superficial. Nuevos hormigones proyectados: Mayores resistencias, más densos, menos porosos, mayor durabilidad, cemento sin yeso, más económico y ecológico. Revestimientos Ligeros Objetivo de la UE para 2010-2012: Reacción de acuerdo a las solicitaciones. Objetivo de la UE para 2020-2030: Incorporación de minisensores que permitan conocer como trabajan y el grado de deterioro en tiempo real. Nanomateriales Nanocompuestos Horizonte 2020-2030: Sustitución de las fibras por partículas de tamaño inferior a una micra e incluso tamaño molecular, (1 nm). Mayores resistencias, mayor durabilidad, menos peso, más económicas y ecológicas, fabricación con propiedades determinadas, posibilidad de autogenerarse. Comportamientos que siguen las leyes de la mecánica cuántica. Tabla 7.2. Resumen de nuevos materiales. Fuente: [40] 7.4. Resumen de objetivos a corto y largo plazo En este apartado se muestran los objetivos marcados por el Plan Estratégico de la Comisión Europea, aprobado en octubre de 2005 y con horizonte en 2030 para los desarrollos tecnológicos necesarios para poder garantizar en un futuro próximo una obra subterránea más: segura, económica y eficiente técnicamente y ecológicamente. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 132 Tabla 7.3. Plan Estratégico de la Comisión Europea, horizonte 2030. Fuente: [11] DESARROLLOS TECNOLÓGICOS NECESARIOS HORIZONTE OBJETIVO INNOVACIÓN REQUERIDA Revestimientos inteligentes. Sostenimientos flexibles inmediatos. Revestimientos con mecanismos de autocorrección en dependencia de las acciones del terreno. Costes aceptables en los túneles de diámetro grande. Tuneladoras de secciones no circulares. Robotización de algunas operaciones dentro del túnel. Bocas y útiles de perforación de larga duración. Robotización completa de Jumbos, autoposicionamiento y funcionamiento, carga de explosivos y desescombrado. Tuneladoras para túneles de gran sección. Mejora de la tecnología de corte (resistencia y robotización teledirigida). Equipos inteligentes (autoaprendizaje). Equipos capaces de realizar modificaciones automáticas a partir de los datos acumulados durante la construcción. Estimaciones precisas de los movimientos del terreno y su afección a las instalaciones existentes circundantes. 2010-2012 Predicción fiable del comportamiento del terreno. Equipos capaces de realizar estimaciones más precisas mediante los nuevos sensores mucho más sensibles, precisos y eficaces. Tuneladora Universal, para cualquier tipo de terreno. Tuneladoras capaces de trabajar en cualquier terreno sin paradas. Completo conocimiento de las condiciones geológicas Tecnologías de perforación de precisión direccional horizontal y vertical (2.000 m) que obtenga y analice muestras sin extracción de testigo. Sensores robustos y durables insertados en el terreno capaces de transmitir datos a larga distancia. Georadares más potentes, que puedan profundizar algunos centenares de metros para obtener datos geotécnicos a mayor profundidad. Sistemas de comunicación a través del terreno. Métodos y equipamientos innovadores de exploración geológica. Avance tecnológico en el corte de rocas. Nueva generación de Jumbos completamente robotizados con autoguiado sin necesidad de operario. Robotización de Jumbos de perforación vertical para profundización de pozos. Martillos de impacto de accionamiento eléctrico. Nuevas tecnologías de corte (utilización del láser). Revestimientos flexibles, impermeables y resistentes. Tecnología de refuerzo del terreno que rodea la tuneladora en el área de excavación. Nueva generación de equipos e instalaciones que no interfieran con las actividades de construcción. 2020 Métodos de excavación de cavernas de grandes dimensiones en cualquier terreno. Avances en diferentes métodos de construcción, materiales y maquinaria. Ausencia total de operarios dentro del túnel durante la fase de construcción. Trabajos de construcción totalmente automatizados y controlados por control remoto. Completo conocimiento del posicionamiento y topología de los servicios subterráneos, que permitan programar acciones preventivas o correctoras, antes de que aparezcan potenciales problemas. Sistemas inteligentes durante todo el ciclo de vida. Posibilidad de construir grandes cavidades con precisión y seguridad utilizando sistemas de revestimiento inteligentes y mecanismos de supervisión y control. Nuevas técnicas y revestimientos mucho más resistentes y eficientes durante todo el ciclo de vida. 2030 Coste de las infraestructuras subterráneas similar al de las infraestructuras a cielo abierto. Optimización del proceso de excavación, eliminación completa del comportamiento imprevisto del terreno. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 133 7.5. Los nuevos proyectos Aparte de los túneles de Brenner, Saint Gothard, etc. (conexión Transalpina) ya comentados, y de las diversas obras subterráneas que se están proyectando para mitigar la falta de espacio en superficie de las grandes ciudades, también existen otros proyectos en fase de estudio de gran importancia estratégica para el transporte a nivel mundial. Estos túneles submarinos permitirán realizar conexiones intercontinentales. Este es el caso del túnel bajo el Estrecho de Gibraltar que unirá Europa, (España) – África, (Marruecos) ó el túnel bajo el Estrecho de Bering que unirá América (Alaska) – Asia (Rusia). Figura 7.4. Túnel bajo el Estrecho de Gibraltar. Fuente: [45]. En la siguiente tabla podemos encontrar algunos de los proyectos más significativos. NUEVOS PROYECTOS DE TÚNELES EN ESTUDIO Proyecto Situación Long. (km) Plazo de construcción Coste estimado Comentario Túnel de Gibraltar Estrecho de Gibraltar (EspañaMarruecos) 38,7 2025 ? 9 bn ∈ Túnel ferroviario submarino long=27,2+11=38,7 km (dos tubos + un tubo servicio). Túnel de Vignemale Pirineos central (España-Francia) 42 2020 ? 6 bn ∈ Túnel ferroviario (3ª conexión Pirineo central). Túnel de Belle Estrecho isla de Belle (Canadá) 17 10 años 5 de estudio y 5,7 construc. 1,7 bn ∈ Túnel ferroviario submarino multifuncional. Conexión entre Península del Labrador y New Foundland Túnel bajo el Estrecho del Bósforo Estambul (Turquía) 1,4 En ejecución. 2,5 bn ∈ Une las partes europeas y asiáticas de Estambul. Túnel bajo el Estrecho de Bering Estrecho de Bering (Alska-Rusia) 86 15 años 12 bn ∈ Túnel ferroviario submarino. Permite interconectar las redes ferroviarias de Rusia, Canadá, y USA. Unión intermisférica. Túnel de SakhalinHokkaido Enlace ferroviario entre Rusia y Japón 42 2015 ? Inicio obras 350 M$ (4 años) y 4,2 bn $ (4 años) Túnel submarino que une RusiaIsla de Sakhalin y Japón, - HokkaidoTúnel de Tsushima Enlace entre Japón y Corea del Sur 60 20 años 111-157 bn ∈ Túnel ferroviario submarino. Levitación magnética. Tabla 7.4. Nuevos proyectos de túneles en estudio. Fuente: Elaboración propia. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tendencias futuras en el diseño y construcción de túneles - 134 También hay otros proyectos en fase de estudio de gran importancia, como: Estonia – Finlandia (túnel de Tallin 54 km), Finlandia – Suecia (Umeä – Vaasan, túnel de 25 km), Irlanda – Gales (túnel entre Dublín – Holyhead en el Mar de Irlanda), Rusia – Ucrania (túnel bajo el Estrecho de Kerch), Mainland – Taiixan, etc. A nivel Europeo, existe el proyecto marco TEN-T que consta de 30 proyectos prioritarios definidos en Abril de 2004, con el horizonte de finalización en el año 2020. La ejecución completa del proyecto TEN-T exigirá la construcción de unos 2.100 km de túneles (donde están incluidos los túneles Transalpinos) de los que corresponden a España el mayor número con casi 600 km. El proyecto marco TEN-T incluye los proyectos 2, 8, 16 y 19 que permitirán completar en la Península Ibérica, la red de Alta Velocidad ferroviaria, la red de autopistas y la unión ferroviaria de los puertos de Algeciras y Sines, y la conexión de las ciudades de Oporto y Lisboa a la Red Transeuropea con puntos de destino en París y Lyon. Este último proyecto actualmente se encuentra en fase avanzada de construcción. Figura 7.5. Conexión Península Ibérica Paris, Lyon. Fuente: [45]. A un mayor plazo (2013-2020), se pretende realizar la tercera conexión entre los Pirineos (Pirineo central) con la construcción del túnel de base de Vignemale de 42 km (21 km en territorio español). El futuro parece exigir la necesidad de implantar un Sistema de Transporte Mundial que utilizará una Red Global de Transporte; de esta forma se establecerán rutas intercontinentales preferentes que permitirán potenciar el desarrollo de los distintos territorios. Figura 7.6. Situación, Estrecho de Bering. Fuente: [45]. Figura 7.7. Red Global de Transporte. Fuente: [J]. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Conclusiones y recomendaciones - 134 Capítulo 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8.1. Conclusiones Respecto al trazado de las nuevas líneas de alta velocidad. ▪ Actualmente se está demostrando que lo más conveniente es bajar las rasantes de los trazados y alargar los túneles ferroviarios de alta velocidad, obteniendo así trazados más tendidos que los que se venían realizando hasta ahora. Esto beneficia doblemente; por un lado permite el transporte de mercancías y por el otro alcanzar mayores velocidades a los trenes de alta velocidad. En contra partida, requiere de mayor número de infraestructuras y de mayores dimensiones. ▪ La vía en balasto no parece ser válida para velocidades superiores a los 320 km/h. A partir de los 280 km/h ya empieza el efecto del vuelo del balasto (schotterflug). El elevado grado de mantenimiento y el no permitir alcanzar grandes velocidades hacen que la mejor solución sea la vía hormigonada o también llamada vía en placa. ▪ Para poderse colocar esta vía en placa los asientos de los terraplenes y pedraplenes deben estar limitados a 30 mm como máximo, y se considera que la altura máxima de estos ha de estar entre los 5 y 10 m, para así poder reducir los asientos y garantizar el buen funcionamiento de la vía en placa. ▪ A raíz de las mejoras en la técnica, la reducción de costes y las exigencias de trazado, en los últimos 30 años ha aumentado la construcción de túneles ferroviarios cada vez más largos y de menor cota. Éstos son los llamados túneles de base. Respecto a las secciones transversales de los túneles de alta velocidad. ▪ En los túneles de alta velocidad la geometría de la sección transversal adquiere una gran relevancia; debido a los fenómenos aerodinámicos que se producen en su interior al circular los trenes a velocidades tan elevadas. Estos fenómenos son las variaciones de presión y el efecto de fricción tren-aire-túnel. ▪ Para poder reducir estos fenómenos aerodinámicos hay realizar diseños de túneles que consigan encontrar un equilibrio óptimo entre la sección transversal del túnel/tren; las variaciones de presión; el efecto de fricción tren-aire-túnel; y una adecuada velocidad de explotación y coste en la construcción y explotación del túnel. ▪ Para poder alcanzar este equilibrio óptimo entre: tren-aire-túnel las, mejoras aerodinámicas, de potencia y de presurización que se realizan en los trenes de alta velocidad son de gran ayuda. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Tablas de dimensionamiento para el criterio de salud - 140 TÚNELES DE VÍA DOBLE Criterio de Salud: Variación máxima admisible de presión en el intervalo de tiempo de tránsito del tren en el túnel: Dp(T) = 10 Kpa. Tren de diseño: - Longitud: Lt = 400 m. - Sección: St = 12 m 2 . - Estanqueidad dinámica: din τ = 0 seg. (No estanco) Sección mínima de túnel (m 2 ) para Dp(T) ≤ 10 Kpa a distintas velocidades Longitud del túnel (m) V=250 km/h V=300 km/h V=350 km/h V=400 km/h 200 <75 <75 81 500 <75 <75 80 94 1.000 <75 77 111 150 1.500 <75 86 120 155 2.000 <75 85 118 159 3.500 <75 83 104 131 5.000 <75 82 95 126 7.500 <75 76 94 123 10.000 <75 <75 92 117 Como podemos observar en las tablas, teniendo en cuenta como único criterio el problema de las ondas de presión generadas por la entrada del tren en el túnel, se llega a la conclusión que a mayor longitud de túnel, la sección necesaria es menor. Efectivamente esto es válido siempre y cuando la longitud del túnel sea menor a 5 km. Actualmente se ha demostrado que a partir de ese valor empieza a tomar importancia otro fenómeno: el rozamiento tren-aire-túnel. Y por tanto no conviene reducir demasiado la sección transversal sino se producen perdidas excesivas de potencia y no se pueden alcanzar las velocidades de diseño en el interior del túnel. También podemos observar que para trenes de mayor longitud requerirán de secciones transversales de túnel mayores. Experiencia en la construcción de Túneles en líneas de Alta Velocidad - Bibliografía - 141 Capítulo 9. BIBLIOGRAFÍA 9.1 Referencias bibliográficas [1] M. Legrand, (1990). Franchissement souterrains pour l’Europe Underground Crossings for Europe. Association Française des Travaux en Souterrain (AFTES). Centre d’Estudes des Tunnels, Born. [2] Gehriger, Willy (1993). Planning the Gotthard base tunnel. Tunnels & Tunnelling International. Diciembre de 1993. 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