Topografía de los túneles

Los túneles son un medio de comunicación artificial entre dos puntos separados. Debido a su diversa utilización su importancia se eleva a medida que la sociedad avanza y son inevitables en grandes núcleos urbanos masificados por edificios para establecer líneas de metro; en la comunicación de poblaciones separadas por una orografía pronunciada o incluso por el mar, como sucedía antes de construir el túnel del Canal de la Mancha.

Las razones para desarrollar un túnel son:

1. Terreno: la topografía puede limitar la construcción de una autopista cuyas especificaciones obligan a tener pendientes límite.
2. Economía: en muchas ocasiones resulta más rentable atravesar un obstáculo mediante un túnel que rodearlo.
3. Ordenación urbanística y de tránsito: la implantación de metros facilita la movilidad en las grandes urbes.
4. Estética y salud: para la circulación de aguas residuales y saneamiento en las ciudades.
5. Minería: aunque se suelen denominar galerías o pozos, dependiendo de la orientación, su fin es unir dos puntos, en este caso, para acceder a una mineralización.

Características de un túnel
El desarrollo de un túnel se realiza igual que cualquier obra a cielo abierto teniendo en cuenta el tipo de sección elegida. Después de determinar los puntos entre los que se traza el túnel, se realiza:

1. Planta: el diseño en planta del túnel se desarrollará en función de los puntos de entrada y salida, así como del estudio geotécnico que determinará la estabilidad del terreno. En el caso de autopistas o ferrocarriles se tendrá en cuenta también la curvatura máxima permitida.
2. Perfil longitudinal: la rasante dependerá de los parámetros definitorios de la obra a realizar, como pueden ser la velocidad específica de la vía o ferrocarril, la pendiente máxima admitida, del mejor drenaje del agua motivo por el cual es normal diseñar túneles convexos.
3. Sección: está directamente relacionado con el estudio geomecánico del terreno para construirlo y de las características de la obra.

Túneles y galerías subterráneas

1. Obras de paso: las obras de paso bajo las vías de comunicación, para aguas u otros viales.
2. Conducciones y galerías de alcantarillado y saneamiento: sistemas de saneamiento y alcantarillado de los núcleos urbanos precisan del proyecto y construcción de conducciones y galerías subterráneas de diversos tipos.
3. Túneles de carreteras, ferrocarriles y canales: túneles dedicados al paso de vehículos, trenes y metro.
4. Conducciones de agua a presión: para el transporte de agua a presión desde el vaso de una presa de embalse de aprovechamiento hidroeléctrico a las turbinas de una central de producción de energía eléctrica aguas abajo, por ejemplo.
5. Galerías de mina: en una galería o túnel de mina se tienen condiciones de proyecto y diseño muy diferentes respecto de un túnel carretero, puesto que en el de mina se buscan soluciones para acceder a las capas de mineral, para luego seguir esas capas, excavarlas y efectuar la extracción del mineral.

Desde el punto de vista de la topografía estas galerías tienen una exigencia menor de precisión en el replanteo que en el caso de los túneles carreteros o del AVE.

Replanteo de un túnel
Planos de proyecto
Las clases de planos que definen el proyecto de la construcción de un túnel, desde el punto de vista topográfico son básicamente: la planta general sobre el topográfico base, el perfil longitudinal y secciones transversales.

Instrumentación específica
La instrumentación es idéntica ala estudiada en la asignatura de topografía, salvo unas pequeñas consideraciones para medir con baja iluminación.

Sistemas de iluminación:

• De los instrumentos: los equipos van provistos de sistemas de iluminación adaptables, aunque no son necesarios siempre.
• De las galerías: sistemas de iluminación de mina que mejoren la visibilidad del punto de mira.
• Teodolitos de mina: usados únicamente en mina ya que se han diseñado íntegramente para ello; en túnel se puede usar la instrumentación convencional. El gran problema de la medición en galerías es el estacionamiento del instrumento, por lo cual, se puede disponer colgado del techo o apoyado sobre barras metálicas en los hastiales.

Teodolito giroscópico: o también denominado “inercial”, permite de forma directa y puntual la determinación de la dirección del Norte Geográfico con un grado de precisión suficiente para la mayoría de los trabajos, ya que en galerías es fundamental la correcta orientación con respecto al exterior de la mina a través de un pozo.

Estacionamientos especiales: en ocasiones es necesario efectuar el estacionamiento del instrumental sobre aparejos diversos que permiten, no sólo situar el aparato deforma atípica, sino también, posicionarlo con unas determinadas coordenadas espaciales, si se diera el caso. Para ello existen los siguientes aparatos:

• Consolas y plataformas de ajuste: son pequeñas plataformas con brazo articulado que permiten la fijación del aparato en cualquier punto del muro o de la pared rocosa.
• Plataforma de ajuste: cuando interesa colocar un instrumento a una determinada cota, se utiliza una plataforma que permite variar la altura del instrumento.
• Mesas de centraje: en ciertas ocasiones, no sólo interesa fijarla cota, sino también las coordenadas X e Y, por lo cual se utilizan estas mesas de gran utilidad durante el replanteo.
• Regletas de centraje o ajuste: cuando es necesario efectuar la transferencia del punto P señalizado en planta sobre la rasante de excavación a la clave dela bóveda o cuando debemos transferir un punto cualquiera sobre la vertical del mismo, es de gran utilidad estas regletas, que dotadas de patillas de anclaje y de dos carros deslizantes, uno sobre otro en direcciones perpendiculares, permiten situar con toda exactitud la posición de la marca de referencia del punto transferido.
• Emisores láser: se utilizan para conocer el direccionamiento de la obra tanto en planta como en alzado.
• Plomadas cenit-nadir: sirven para efectuar la transferencia de puntos a lo largo de una visual vertical cenit-nadir.
• Plomadas de gravedad (mecánicas): se usan en trabajos de baja a media precisión y están basadas en un peso colgado a través de un hilo que pasa por el centro del instrumento. Su gran problema son las oscilaciones, actualmente están prácticamente en desuso.
• Plomadas ópticas: para trabajos de alta a muy alta precisión, ya que, para distancias cortas tienen un elevado grado de precisión.
• Oculares acodados: en las tareas de replanteo de un túnel, en muchas ocasiones, debido a la angostura de la galería o las características del estacionamiento que no permite las observaciones para una posición normal del operador, es necesaria la utilización de oculares acodados a fin de poder efectuar lecturas cenitales cercanas a la vertical. También permiten utilizar el taquímetro como plomada cenit-nadir.
• Miras especiales industriales: son miras adaptadas a trabajos en lugares angostos y de poco gálibo. Son de menor longitud que las convencionales y van provista de regatones para su estacionamiento sobre diferentes tipos de señales.
• Perfilómetros: serie de instrumentos diseñados para la obtención de los perfiles transversales de una galería de túnel.

• Instrumento especial para identificar y controlar las posibles deformaciones que se pueden producir en una galería; se conocen como hilos invar y se basan en un hilo sometido a tensión constante que gracias a un medidor permite conocer con gran rapidez y precisión las variaciones de convergencia entre dos puntos prefijados.
• Señalización de puntos: se utiliza pintura fluorescente, clavos o en trabajos de gran importancia, hitos de hormigón.
• Otro material: como reglas de medición expedita para medir longitudes entre elementos de obra a fin de controles someros; prismas pentagonales, que permiten la obtención de visuales perpendiculares y medios auxiliares, como pueden ser: Elementos para escritura y marcado por fricción en las señales, elementos varios de señalización; tablas, tablones, listones; punteros de acero, granetes, cinceles; macetas, mazos, clavos de acero, yeso, cementos, morteros, hormigones para fijado y protección de señales, cuerdas de línea, cables; radio-teléfonos, maquinaria de obras públicas, escaleras de mano, andamios.

Topografía de apoyo
Las tareas de proyecto, replanteo, construcción, medición de obra, y posible control posterior de deformación del túnel, precisa de la observación de una serie de puntos de diversos tipo, que junto con el plano topográfico base, donde se ha proyectado el túnel, se denomina de forma genérica topografía de apoyo. Ésta es en parte topografía externa y en parte topografía subterránea. La topografía a cielo abierto no difiere de la habitualmente utilizada, sin embargo las labores de enlace de ésta con el interior, sí requiere de métodos y técnicas de trabajo específicas.

Topografía de apoyo externa
Consta de:

• Plano topográfico base
  Para proyectar un túnel en su diseño planimétrico como altimétrico, se dispone de un plano topográfico que permita estudiar y determinar las características del mismo. Es necesario conocer sobre el plano las características geológicas de la zona. Escalas generales de 1/2000, 1/1000o 1/500, para parciales del tipo 1/200, 1/100 y tomadas normalmente en las zonas de acceso.
• Red de enlace entre bocas (triangulación, poligonal de precisión, nivelación)
  Esta red permite conocer con exactitud las coordenadas espaciales X, Y, Z de los dos puntos iniciales de la excavación, así como los acimutes de las alineaciones rectas de entrada y salida, para ello es necesario relacionarlos por medio de: triangulación, poligonales de precisión y nivelación por alutras.

La triangulación actualmente se sustituye por una poligonal de precisión, siempre que los condicionantes del túnel, longitud y precisiones del cierre del replanteo por ambas bocas, así lo permita; la utilización del G.P.S. reduce el tiempo de aplicación del método.

Como complemento se realiza una nivelación por alturas de manera que se pueda determinar con toda exactitud el desnivel o incremento de cota entre ambos puntos de boquilla N y S, ya que los valores altimétricos de la triangulación o la poligonal no tendrán las precisiones requeridas en estos casos.

• Paso de línea por montera (no siempre se realiza)
  Se trata de realizar la red de apoyo externa, triangulación o poligonal y nivelación por alturas, para enlazar los puntos de superficie de inicio del túnel por ambas bocas.
• Perfil longitudinal por montera (no siempre se realiza)
  En túneles de gran longitud o cuando se precisa de una mayor velocidad de perforación, es necesario duplicar o multiplicarlos frentes de excavación y para ellos es precisa la excavación de pozos o rampas de acceso a la rasante de excavación desde uno o varios puntos de la superficie. Para ello es necesario conocer el perfil del terreno en superficie, o lo que es lo mismo, el perfil de montera, definiendo como montera la intersección del plano vertical de la planta del túnel con el terreno. Cuando el túnel es en recta, el mismo paso de línea por montera, nos delimitará ese perfil, cuando no es así, es necesario replantear el túnelo parte del túnel a cielo abierto a fin de proyectar estos pozos o rampas. Es muy importante ejecutar el proceso y asegurarse dela precisión deseada, sino podría llevar a que los distintos frentes abiertos no se encuentren tanto en altura como en plano.

Publicado en la revista Seguridad Minera n° 103. Escrito por Gabriel Lorenzo Salgueiro