análisis del concreto lanzado como revestimiento definitivo para túneles jorge andrés martinez

128 Pages·2012·5.05 MB·Spanish

by  Jorge Martinez

ANÁLISIS DEL CONCRETO LANZADO COMO REVESTIMIENTO
DEFINITIVO PARA TÚNELES

JORGE ANDRÉS MARTINEZ VARGAS

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
DICIEMBRE DE 2011

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ANÁLISIS DEL CONCRETO LANZADO COMO REVESTIMIENTO
DEFINITIVO PARA TÚNELES

JORGE ANDRÉS MARTINEZ VARGAS

Director:
Ingeniero HÉCTOR SALAZAR BONILLA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
DICIEMBRE DE 2011

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AGRADECIMIENTOS

A Dios, a mi papá Jorge Martinez, a mi mamá Liliana Vargas, a mis hermanas Ángela y
Laura Martinez y a Maria Paula Fernández por apoyarme y darme la oportunidad de
formarme como persona e ingeniero.

Al ingeniero Héctor Salazar, director de la tesis y colaborador incansable en la realización
de la misma.

Al personal del túnel de Daza por la ayuda con material para ensayos y la asesoría
brindada.

Al personal de laboratorio de resistencia de materiales de la Pontificia Universidad
Javeriana por la colaboración prestada durante la realización de los ensayos.

A todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron y se vieron involucradas
en el desarrollo de esta tesis.

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CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 6
2. OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 7
2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 7
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 7
3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 7
3.1 ANTECEDENTES .................................................................................................. 7
3.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 8
4. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 9
4.1 FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES ....................................... 9
4.2 INFRAESTRUCTURA ACTUAL Y FUTURA DE TÚNELES EN COLOMBIA . 9
4.3 REVESTIMIENTO EN TÚNELES VIALES ........................................................ 15
4.3.1 GENERALIDADES .................................................................................................... 15
4.3.2 SOPORTE ................................................................................................................. 15
4.3.3 REVESTIMIENTO ...................................................................................................... 19
4.3.4 DISEÑO ................................................................................................................... 22
4.3.5 SISTEMA CONSTRUCTIVO ........................................................................................ 33
4.4 REVESTIMIENTO EN CONCRETO LANZADO ............................................... 41
4.4.1 GENERALIDADES .................................................................................................... 41
4.4.2 CONCRETO LANZADO ............................................................................................. 42
4.4.3 MATERIALES CONSTITUYENTES DEL CONCRETO LANZADO ..................................... 43
5. ENSAYOS DE LABORATORIO ......................................................................................................... 90
5.1 OBJETIVOS .......................................................................................................... 90
5.2 DESCRIPCIÓN Y PROCEDIMIENTO ................................................................ 90
5.2.1 ABSORCIÓN DE ENERGÍA ......................................................................................... 90
5.2.2 RESISTENCIA FLEXURAL ......................................................................................... 95
5.3 RESUMEN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................... 99
5.3.1 RESULTADOS DE PANELES RECTANGULARES ........................................................... 99
5.3.2 RESULTADOS DE VIGAS RECTANGULARES ............................................................. 111
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6. BENEFICIOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO EN
CONCRETO LANZADO ............................................................................................................................ 120
6.1 COMPARACIÓN DE LOS COSTOS DEL CONCRETO LANZADO Y EL
CONCRETO CONVENCIONAL .................................................................................. 120
6.2 PLAZOS .............................................................................................................. 122
7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 124
8. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 125

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1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, el concreto lanzado es un elemento indispensable en la construcción de
túneles alrededor del mundo. Si bien su uso es generalizado como elemento de soporte, su
uso como revestimiento definitivo es nuevo en Colombia. El uso de fibras sintéticas le
brinda características de ductilidad y tenacidad permitiéndole obtener condiciones más
seguras junto con aumentos en los índices de seguridad y reducción de costos.
A nivel mundial, existen ejemplos de varios países donde la tecnología del concreto
lanzado ha alcanzado niveles muy altos y en donde los estudios han demostrado grandes
ventajas técnicas y económicas de esta tecnología. En Colombia, con la construcción de
nuevos túneles como los de la ruta del sol o los de la segunda calzada a Villavicencio, se
busca construir proyectos con mejores características a menores costos. Esto aumentaría la
cantidad de túneles que tienen revestimiento en concreto lanzado y mejoraría la
competitividad de nuestro país a nivel regional.
Un aspecto importante del concreto lanzado es su reforzamiento con fibras el cual ha
demostrado ofrecer beneficios substanciales en comparación con el refuerzo arcos o mallas
de acero. La aceptación del uso del concreto lanzado como revestimiento enfrenta
obstáculos por parte de algunos diseñadores que no saben de sus ventajas y usos. En la
actualidad lo que se cree, es el que concreto lanzado trabaja más en el reforzamiento de la
roca que en el soporte de la misma. Una forma de aproximarse a un buen diseño es
basándose en las experiencias de distintos países los cuales hacen uso de ecuaciones o
modelos tales como el de Barton Q o el uso de la experiencia del diseñador. En estos casos,
los resultados han brindado reducciones de espesores de la capa de recubrimiento de 1 m
hasta los 10 o 15 cm, sin comprometer la integridad.
El siguiente trabajo busca demostrar las ventajas que brinda el uso del concreto lanzado
como revestimiento en los túneles viales. También pretende ofrecer oportunidades a
nuevos trabajos de investigación donde se estudie más afondo esta tecnología.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar los beneficios del concreto lanzado como revestimiento definitivo en túneles en
comparación con el uso de concreto convencional.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

2.1 Identificar los criterios para la selección de los distintos tipos de revestimiento en
concreto para túneles.
2.2 Establecer los beneficios técnicos y económicos del concreto lanzado como
revestimiento definitivo en un túnel según sus características en condiciones
Colombianas.
3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
3.1 ANTECEDENTES

La necesidad actual de mejorar la competitividad de nuestro país dentro de un modo
globalizado, ha llevado al gobierno colombiano a planificar los próximos años más de 100
kilómetros de túneles de altas especificaciones, de los cuales el 70% está planeado como
parte del mejoramiento de los corredores viales actuales.

Con el objetivo de lograr implementar dicha cantidad de túneles, se busca valerse de
nuevas tecnologías usadas en el mundo que permiten optimizar los procesos constructivos
con altas calidades, en términos de seguridad y comportamiento estructural (ITA, 2010).

La tendencia internacional es reforzar los túneles con el uso del método definido por
Knut Garshol (1997) como “single shell sprayed concrete lining” o revestimiento de
concreto lanzado mediante monocapa (Garshol, K. 1997). Este método propone el empleo
del concreto lanzado, tanto como soporte primario como revestimiento definitivo.
Reemplazando los sistemas tradicionales de estructuras de hormigón “cast-in-place”
(Proenca, A. M. 1999) o a los segmentos prefabricados colocados dentro del sostenimiento
temporal, con esta metodología se aprovecha el soporte primario –antes considerado como
de sacrificio–, y adicionando otra capa permanente se establece como revestimiento
definitivo (Dimmock, R.H. et ál. 2001). La aplicación de esta técnica ha aumentado su
popularidad en la última década. Sus notorias ventajas: alto rendimiento, facilidad,
versatilidad al trabajarse y flexibilidad en su aplicación, aunado a la alta tecnología
desarrollada en el concreto y su adaptabilidad a complejas geometrías de los túneles, junto
con el desarrollo moderno de obras de alta ingeniería, contribuye al aumento de su
aplicación (Claussen, H. 2010). La facilidad que presenta al trabajarse brinda un mayor
rendimiento y un avance más eficiente.

Las mejoras en los controles de la calidad del cemento, los diseños de mezclas, el uso
de productos acelerantes no alcalinos (Storås et ál. 1999) y aditivos reductores de agua
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(Garshol, K.et ál. 1999), han llevado a la utilización de mezclas húmedas que contribuyen
de manera notoria a la calidad final del concreto lanzado. Adicional a lo anterior, el uso de
fibras y equipos de colocación, tales como bombas y pistolas, aportan, evidentemente, la
calidad final. Estas mejoras permiten ampliar las posibilidades de diseño y de modificación
de las características para requerimientos específicos en los proyectos.

En el empleo de esta técnica hay múltiples variantes que deben ser sometidas a control,
con el fin de implementar este revestimiento definitivo y lograr una aplicación óptima
(Gelson J. et al., 2009), lo cual mejora los resultados hasta ahora obtenidos con el método
tradicional. Estas variables entran a desempeñar un papel definitivo, desde el diseño hasta
la puesta en operación del túnel.

Como ejemplos, encontramos varios proyectos alrededor del mundo, en donde el
manejo del concreto lanzado como revestimiento definitivo, junto con otras tecnologías,
han permitido alcanzar los requerimientos técnicos establecidos para cada uno y
disminuciones evidentes en plazos y costos de construcción, además, un obvio aumento en
los niveles de seguridad. Por mencionar algunos, encontramos el túnel carretero submarino
de Hvalfjördur en Islandia, con una capa de concreto lanzado como recubrimiento primario
de entre 60 y 80 milímetros y una capa final de 20 milímetros como revestimiento
definitivo (ITA/AITES, 2005). El proyecto de la central eléctrica de Nathpa Jakry, en India,
en un comienzo se diseñó con hormigón vaciado en sitio de 300 milímetros de espesor e
inyecciones de consolidación. Sin embargo, al iniciarse la construcción, se propuso sustituir
este revestimiento por concreto lanzado, con un espesor de 100 milímetros, reforzado con
pernos de anclaje y fibra. Finalmente, luego de varios estudios, se estableció una capa de 50
milímetros y una segunda que variaba entre 100 y 150 milímetros. Al hacerse estos
cambios, se logró un ahorro cercano al 15% en los costos de fortificación y la reducción a
diez meses en el tiempo de construcción (Sharma, H.K. et ál. 2008).

3.2 JUSTIFICACIÓN

En Colombia, la utilización de esta tecnología apenas está desarrollo. Entre estos
encontramos el túnel de Daza en Pasto, que se halla en construcción y tiene una longitud de
1.6 kilómetros en concreto lanzado como revestimiento definitivo. Otro, es el túnel de
Dosquebradas, el cual posee una primera capa de concreto lanzado reforzado con un
espesor de 20 milímetros, fibras metálicas de 30 kg/m³, arcos metálicos en celosía como
soporte definitivo y una capa final de 7 mm (Jaramillo, Fabio. 2008).

Los ejemplos citados anteriormente demuestran que el empleo del concreto lanzado
como revestimiento definitivo es todo un éxito y efectivo al lograr mejoras en plazos y
costos de construcción, así como un aumento en los niveles de seguridad. Sin embargo,
algo que ha sido observado en varios países, es que haciendo uso de los mismos principios
del concreto lanzado, cada uno ha hecho modificaciones a los sistemas constructivos y ha
implementado distintas tecnologías (ITA, 2010). En Colombia, el poco conocimiento de
esta tecnología y sus ventajas hacen que la aplicación del mismo sea una fuente de
investigación y una puerta de entrada a un sistema que brindaría numerosas ventajas. Esto
hace necesario investigar la aplicación de esta tecnología en proyectos nacionales, lo cual
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conlleva a que el aporte brindado por esta tesis complemente y ayude a la aplicación de este
revestimiento en nuestro país. A su vez, brindar información a un proyecto en específico y
proporcionar nuevas pautas para planes a futuro.

4. MARCO TEÓRICO

A continuación se hace una recopilación de los proyectos de infraestructura subterráneos
diseñados y construidos, así como los planeados a corto, mediano y largo plazo. Lo
anterior, como introducción a las condiciones del país, en términos de túneles viales. Esta
exposición se hace con el fin de generar conciencia de la importancia de la infraestructura
subterránea para nuestro país, y así crear una base sólida para la posible aplicación de dar
una introducción a las condiciones de las obras subterráneas. Aquí, un breve recorrido por
los ya diseñados y construidos que forman parte de proyectos de infraestructura vial.
4.1 FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES

Túneles hidráulicos de alcantarillado y saneamiento: son sistemas de conducción de aguas
servidas, necesarios en los sistemas de saneamiento y alcantarillado de los centros urbanos.
Túneles viales o de carreteras, ferrocarriles y canales: túneles dedicados al paso de
vehículos, trenes y metro. Los túneles viales se definen como conductos subterráneos
construidos para que el tránsito de vehículos pueda superar con mayor facilidad zonas
montañosas o de relieve especialmente abrupto.
Túneles de conducción de agua a presión: para el transporte de agua a presión desde
una presa o embalse de aprovechamiento hidroeléctrico hasta las turbinas de una central de
producción de energía eléctrica aguas abajo, por ejemplo.

4.2 INFRAESTRUCTURA ACTUAL Y FUTURA DE TÚNELES EN COLOMBIA

Primero se plantea un resumen de la infraestructura actual y a futuro de túneles en
Colombia. Las tablas muestran la cantidad de kilómetros de túneles construidos y a
construir.

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4.2.1 Túneles viales

Túneles viales construidos en Colombia antes del 2002
Túnel Ubicación Longitud Tipo de
(m) Revestimiento
Buenaventura I Dagua-Valle del cauca 220 CC y RN
Buenaventura II Dagua-Valle del cauca 130 CC y RN
Buenaventura III Dagua-Valle del cauca 100 CC y RN
Buenaventura IV Dagua-Valle del cauca 85 CC y RN
Buenaventura V Dagua-Valle del cauca 480 CC y RN
El polvorín Santa Maria-Boyaca 1640 RN
Las juntas Sutatenza-Boyaca 205 RN
Pozo azul Garagoa-Boyaca 290 RN
El volador Macanal-Boyacá 234 RN
El ventarrón Macanal-Boyacá 612 RN
El salitre Macanal-Boyacá 634 RN
El trapiche Macanal-Boyacá 90 RN
La esmeralda Santa Maria-Boyaca 400 RN
La presa Santa Maria-Boyaca 475 RN
Pluma de agua Santa Maria-Boyaca 770 RN
La cascada Santa Maria-Boyaca 420 RN
Moyas Santa Maria-Boyaca 350 RN
Muros I Santa Maria-Boyaca 134 RN
Muros II Santa Maria-Boyaca 350 RN
El Infierno Garagoa-Boyaca 488 RN
La Llana Taminango-Nariño 204 CL
Peñaliza Chachagui-Nariño 205 CL
El espejo Riosucio-Caldas 180 RN
Quebradablanca Guayabetal-Cundinamara 726 RN
La Llorona Dabeiba-Antioquia 435 RN
Caquetá I Florencia-Caquetá 240 CC
Caquetá II Florencia-Caquetá 412 CC
Caquetá III Florencia-Caquetá 208 CC
Caquetá IV Florencia-Caquetá 171 CC
Bijagual Villavicencio-Meta 185 CC
Buenavista-Misael Villavicencio-Meta 4520 CC
Pastrana Borrero
Boquerón-Argelino Bogotá-Cundinamarca 2405 CC
Duran Quintero
Túnel Guarne- Copacabana-Antioquia 235 CC y RN
Ascenso
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