I. DISEÑO DE TUNELES FUNCIONANDO COMO CANAL

Cuando hablamos de transporte por conducto cubierto nos referimos a aquellas obras que

conducen agua a régimen de canal, a través de una loma (cerro), llamados túneles.

Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, se presenta

la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla mediante la construcción de un

túnel.

Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseños geotécnicos, estructurales,

hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad.

Se da la utilización de túneles en los siguientes casos:

Cuando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando el macizo montañoso

que los separa.

Cuando de este modo se evita el desarrollo de un largo canal abierto y con el

consiguiente aumento de pendiente y reducción de la sección, se consigue una

apreciable economía.

Cuando la pendiente transversal es demasiado elevada y el material de mala calidad, no

permiten asegurar la estabilidad del canal abierto.

A. FINALIDAD

Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno.

La sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica

del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.

B. FORMA DE TRABAJO DEL TUNEL

Los túneles pueden trabajar a:

1. A gravedadSi tienen una superficie libre a presión atmosférica como los canales abiertos. Deben seguir

rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada.

Se utilizan cuando el nivel de agua es casi constante a la entrada, o sea en las tomas por

derivación directa (fig1).

2. A presión

Si llenan toda la sección como las tuberías. Pueden tener una alineación cualquiera con tal de

estar por debajo de la línea piezométrica (fig2).

Se utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su

entrada se ubica a no menos de 2metros por debajo del nivel mínimo de agua. Al final del

túnel se coloca una chimenea de equilibrio.

C. CRITERIOS DE DISEÑO

Acortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la perdida de carga y

que dan pocos gastos de conservación; pero su inconveniente fundamental es el costo,

no obstante el precio de los túneles de abastecimiento es considerablemente más bajo

que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, ya que

las dificultades de construcción de los túneles aumentan muy fuertemente con el

aumento de tamaño. A su vez por esta misma razón la ejecución suele hacerse a toda

sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a galerías de avance, ni a

métodos especiales.

Las secciones transversales más empleadas son la herradura para canales rodados y la

circular para conducciones a presión, estas secciones deberán tener unas dimensiones

mínimas que permitan el trabajo relativamente cómodo en su interior.

Sin embargo es conveniente proyectar los túneles de forma que puedan admitir

ampliaciones (caudales sensiblemente mayores a los de proyecto), puesto que así se

facilitan los incrementos futuros del abastecimiento.

Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar filtraciones y

pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o

varias tuberías forzadas en su interior, el túnel podrá dejarse sin revestir.

D. DISEÑO DE LA SECCIÓN (TUNELES A GRAVEDAD)

La forma de la sección de un túnel debe ser tal que para un área dada, el caudal que circula

debe ser máximo y también que resista a las presiones generadas en el interior.

La construcción de túneles así como la selección de su forma y tipo de revestimiento está

íntimamente ligada con la geología, mecánica de suelos y rocas, puesto que uno de los datos

más importantes es la presión que debe soportar.

Formas de sección: Dimensiones Mínimas.

Caso extremo de túneles pequeños

H=1.5B, 2B > 1.80mHmin = 1.80mBmin ≥ 1.40m

1. Túneles De Sección Circular

Un canal semicircular es el más conveniente desde el punto de vista exclusivo de la eficiencia

hidráulica. Sin embargo, este tipo de túneles para canales es poco usado por las dificultades

constructivas que conlleva. El método español de Barragán considera la construcción

mecánica de secciones circulares. Según dicho ingeniero las secciones circulares representan

una economía importante frente a las otras secciones. En todo caso nuestra opinión es que

es difícil una generalización y en cada caso debe hacerse un análisis técnico- económico.

Fig. 3 – Desembocadura de túnel de trasvase en el Embalse del Guavio

a. CALCULO HIDRAULICOPara el caso del diseño hidráulico tomaremos al túnel como si fuera una tubería de sección

circular, a continuación examinemos el caso de un tubo circular parcialmente lleno:

Mediante simples consideraciones geométricas se puede determinar el área, perímetro y

demás elementos de la sección transversal ocupada por el fluido.

La tubería que trabaja parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una

velocidad media y un gasto mayor a los que corresponderían a tubo lleno.

Examinemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad máxima en un tubo

parcialmente lleno.

Consideremos una tubería cuyo diámetro es D y cuyo radio es r. El flujo corresponde a un

tirante y.

Se trata de hallar la relación y/D que da la máxima velocidad para el flujo, AB es la superficie

libre, θ es el ángulo en el centro.

Las expresiones correspondientes al área, perímetro mojado y radio hidráulico son:

Si consideramos las fórmulas de Manning o de Chezy, o cualquier otra, para el cálculo de la

velocidad media encontramos que siempre se cumple que:

Para pendiente y rugosidad constantes, k, x dependen de la formula particular empleada.

Por lo tanto, para que la velocidad sea máxima se requiere que el radio hidráulico sea

máximo

De donde:

Θ es el ángulo que corresponde a la velocidad máxima.

Se determina inmediatamente que:

El tirante

De donde

Por lo tanto, cuando el tirante es 0,81D la velocidad es máxima.

Se observa que el resultado obtenido es independiente de la fórmula con la que se calcule la

velocidad media.

Calculemos ahora cual es el valor de Y/D que hace que le gasto sea el máximo:

El gasto, si usamos la fórmula de Manning, tiene por expresión

Se observa que para S y n constantes el máximo valor del gasto corresponde al máximo valor

de AR2/3

De donde

Que es el ángulo que corresponde al gasto máximo. Se determina inmediatamente que:

El tirante es

De donde

Por lo tanto, cuando se usa la fórmula de Manning para los cálculos, el gasto es máximo

cuando y = 0,94 D.

Si se hubiera empleado la fórmula de Chezy, entonces la condición hubiera sido:

Y se habría obtenido

Por lo que cuando se usa la fórmula de Chezy para los cálculos, el gasto es máximo cuando y=

0,95D.

2. Túneles Tipo Baúl

La forma de baúl es más sencilla de construir. La Figura ilustra las características de un túnel

tipo baúl.

Las dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. El ancho y

tipo de túnel dependerá de las necesidades del proyecto, establecidos por criterios como el

caudal y la velocidad.

a. CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA TUNELES TIPO BAUL

Herradura Estándar

Donde

R= radio de la bóveda

Β = ángulo con la horizontal quehace el radio que toca laintercepción de la superficie decon la bóveda.

h=d = colado del agua (tirante)

A = área mojada

P= perímetro mojado

R = radio hidráulico

n = coeficiente de rugosidad.

a. Calculo hidráulico

El área mojada es igual a:

Donde r es el radio de la bóveda:

β, es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la

superficie del agua con la bóveda.

d, es el calado (Tirante) de agua.

El perímetro mojado es igual a:

El radio hidráulico es igual a:

El caudal es igual a:

S=pendiente.

b. Características hidráulicas de Túnel tipo Baúl para diferentes tirantes (d=h)

h/rൗ P/r R/r

∗

ૡ

൘

2 3.5439 6.9266 0.5116 2.269

1.99 3.5421 6.6435 0.5331 2.329

1.98 3.5387 6.526 0.5422 2.353

1.97 3.5342 6.4355 0.5491 2.370

1.96 3.529 6.359 0.5549 2.383

1.95 3.523 6.2915 0.5600 2.394

1.94 3.5165 6.2302 0.5644 2.402

1.93 3.5094 6.1737 0.5684 2.408

1.92 3.5018 6.1213 0.5720 2.413

1.91 3.4937 6.0716 0.5754 2.417

1.90 3.4853 6.0246 0.5784 2.419

1.89 3.4763 5.9797 0.5814 2.420

1.88 3.4669 5.9367 0.5840 2.421

1.87 3.4573 5.8953 0.5865 2.421

1.86 3.4473 5.8555 0.5887 2.420

1.85 3.4368 8.8170 0.5908 2.418

1.84 3.4261 5.7795 0.5928 2.416

1.83 3.4153 5.7435 0.5946 2.414

1.82 3.4039 5.7080 0.5963 2.410

1.81 3.3924 5.6736 0.5979 2.406

1.80 3.3804 5.6393 0.5994 2.405

1.70 3.2485 5.3362 0.6088 2.330

1.60 3.0967 5.0784 0.6105 2.236

1.50 2.9298 4.8326 0.6063 2.100

1.40 2.7513 4.6084 0.597 1.952

1.30 2.564 4.3918 0.5834 1.781

1.20 2.3705 4.1881 0.565 1.62

1.10 2.1728 3.9857 0.5452 1.453

1.00 1.9728 3.7854 0.5213 1.280

3. Túneles Tipo Herradura

Es frecuente que los túneles se construyan con una sección diferente de la circular. Una delas

secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguientetabla sirve como ayudapara

el cálculo de las secciones en herradura (horseshoe).

Donde:

Y = tirante

D = diámetro

A = área

P = perímetro mojado

R = radio hidráulico

a. Propiedades hidráulicas de las secciones en herradura

4. Velocidades De Diseño En Los Túneles

Para caudales constantes oscila entre 1.5 a 2.5 m/s, pudiendo admitirse valores mayores

cuando el caudal es muy variable.

En túneles a presión las velocidades

generalmente varían de 2.5 a 4.5 m/s.

Rugosidad: puede utilizarse: n:0.013

ó n:0.015

Si la roca es sana: n: 0.04

En túneles que trabajan a gravedad; el

tirante no debe pasar el 85% de la altura

total.

El borde libre : BL ≥0.40 m (mínimo=0.30m)

Puede utilizarse: BL=30%R(debe verificarse)

E. EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO PARA CUALQUIER CONDUCTO

ABOVEDADO

Ahora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conductoabovedado. Siempre

se tendrá por continuidad que:

De donde

Que es la condición de máximo caudal. De acá

También debe cumplirse la ecuación de Chezy

O bien

Si reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dV y además se reemplaza el

valor de dV obtenido de la ecuación de Chezy se llega a:

Que es la ecuación diferencial que fija la condición de gasto máximo en cualquier

conductoabovedado en el que se calcule el gasto con la fórmula de Chezy.

Si hubiéramos usado la fórmula de Manning se habría obtenido que el gasto máximo

paracualquier conducto abovedado está dado por:

F. EXPRESIÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PARA CUALQUIER CONDUCTO

ABOVEDADO

En cualquier conducto abovedado debe cumplirse que:

De donde

Que es la condición de máxima velocidad en cualquier conducto abovedado. Esta ecuación

nodepende de la fórmula empleada para el cálculo de la velocidad.

De igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de sección.La velocidad de diseño en los túneles oscila entre 1,5 y 2,5 m/s para caudalesconstantes, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muyvariable. En los túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 m/sa 4.5 m/s. Tomando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza conencofrados metálicos que producen superficies bastante lisas, el coeficiente derugosidad se toma entre n=0.013 y n=0.015.

CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS E HIDRÁULICAS DE TÚNELES

1.1. TÚNEL COLCA - HUAMBO (PROYECTO MAJES)

1.2. Túnel INTERCUENCAS (PROYECTO CHAVIMOCHIC)

1.3. TÚNEL TRASANDINO (PROYECTO OLMOS)

1.4. TÚNEL LLAUCANO (PROYECTO TINAJONES II)

2. TUNELES IMPORTANTES EN EL MUNDO

2.1. TUNEL BELLEDONE (ARC – ISERE, FRANCIA)

Longitud = 18.20 kmCobertura máxima = 2.0 kmDiámetro = 5.80 mTemperatura = 35°CEjecución = Años 1974 – 1978

FRENTE DE TRABAJOLONGITUD

kmMETODO DE

PERFORACIONAVANCE PROMEDIOMENSUAL (m/Mes)

Lado A 8.20 convencional 148

Lado B 10.00 Con TBM 204

2.2. EUROTÚNEL:

a. Túnel que une las ciudades de Francia y Gran Bretaña, bajo la mancha.

b. Situado a 240 m bajo el nivel del mar en su punto más profundo y a 100 m por debajo del

lecho del estrecho de Tsugaru que separa las dos islas.

c. Túnel Ferroviario doble, de 50 Km de longitud por cada túnel gemelo.

d. Diámetro : 7.60 m

e. Trabajaron: 10 000 hombres por frente.

f. Avance de perforación: 700 m/ Mes.

g. Costo: 15 Billones de Dólares

h. Costo de TBM usados: $ 10 – 14 mió (USD)

2.3. TÚNEL SIMPLON

a. Es el túnel más largo que hay en Europa, para tráfico ferroviario entre Italia y suiza.

b. Longitud: 20 km.

2.4. TÚNEL SEIKAN

a. Es el túnel más largo del mundo que enlazará por tren y bajo el agua dos de las cuatro islas

importantes del Japón: Hokaido, y Honshu, donde se asiéntala capital de Tokio.

b. Longitud: 54 km.

c. Tramo bajo agua: 36.5 km (mayor que el del Eurotúnel, que es de 23.3 Km).

d. Periodo de construcción: 42 años.

e. Es una obra gigantesca, considerado el proyecto más importante del siglo pasado.