DISEÑO GEOMÉTRICO DE TÚNELES PARA CARRETERAS
1 DISEÑO GEOMÉTRICO DE TÚNELES PARA CARRETERA
1.1 GENERALIDADES.
Los túneles difieren de otras vías, tales como caminos de superficie, en los aspectos.
Es un parámetro de entrada en el diseño de la carretera (sobre todo en perfil).
El diseño geométrico del túnel es de gran importancia, tanto desde el punto de vista del usuario como desde el punto de vista de la construcción y del mantenimiento del túnel.
La sección tipo suele obedecer más a aspectos propios del túnel (geología, método constructivo, instalaciones, seguridad, etc.) que a datos generales de la carretera, por lo que se puede independizar del resto de la misma.
El diseño en planta y perfil del túnel dependen del diseño geométrico del resto de la carretera y de las características de ésta, con la que tiene que mantener la homogeneidad
La velocidad de circulación de los vehículos dentro del túnel determinará el diseño geométrico del trazo correspondiente, que se hará de acuerdo con lo establecido en el Manual de Carreteras:
Diseño Geométrico (DG-2013) en la Sección 204 del capítulo 2.
La velocidad máxima de circulación dentro del túnel será la que corresponde a la velocidad del proyecto de la carretera reducida en 20 km/h, así como la velocidad de los vehículos pesados no experimentes descenso mayores a 25 km/h.
1.2 DISEÑO GEOMÉTRICO EN PLANTA.
1.2.1 GENERALIDADES. El diseño del trazado en planta de un túnel está sujeto a las mismas limitaciones y recomendaciones del diseño geométrico de la carretera, excepto algunas particularidades específicas propias del túnel. El trazo no puede variarse de forma sustancial de la carretera. Deberán tenerse en cuenta los factores geológico-geotécnicos existentes y se procurarán evitar los puntos o zonas conflictivas: fallas, zonas alteradas, portal complicado, etc. Para la serie de aspectos concretos el diseño del trazado en planta señalada a continuación, se establece lo siguiente en base a la experiencia de túneles anteriores:
A) PORTALES:
Se recomienda que el trazado de la aproximación al túnel sea tal que el portal de éste sea visible por el conductor 15 segundos antes de llegar hasta ella, en cualquier circunstancia. Es decir, si V es la velocidad de proyecto de la carretera en Km/h, la portal debe ser visible desde una distancia mínima dada por la expresión:
L = .4 17*V , donde L está dado en metros.
Por otra parte, para evitar el deslumbramiento debido a la luz del día en túneles largos, es conveniente disponer una curva cerca de las bocas de salida con objeto que desde dentro del túnel no sea visible el exterior.
B) ENLACES PRÓXIMOS AL TÚNEL:
Se recomienda no realizar ningún tipo de conexión, nudo o rotonda en la calzada, ni modificación del número de carriles en los 300 metros, anteriores o posteriores, del inicio o final del túnel.
C) ENLACES DENTRO DEL TÚNEL:
Por tanto se procurará evitar los enlaces, tanto entradas como salidas, dentro del túnel. Si son inevitables (por ejemplo en tramos urbanos) se reforzará la iluminación en dichas zonas.
Las bifurcaciones se señalizarán antes del túnel para que cada vehículo entre ya a éste por el carril correspondiente a la salida que vaya a tomar y, de este modo, evitar, en lo posible, los cambios de carril dentro del túnel.
En las incorporaciones se aumentará el número de carriles posterior al enlace, de forma que los vehículos que entran no tengan que incorporarse a carriles ocupados por otros vehículos. Los carriles de trenzado es conveniente evitarlos en cualquier caso.
D) VISIBILIDAD EN LAS CURVAS:
Dentro del túnel se debe mantener una distancia de visibilidad mínima superior a la distancia de parada en caso de una incidencia.
Centro de Estudios de Túneles de Francia (CETU) ha elaborado un modelo que relaciona la velocidad de proyecto, la pendiente del trazado y el radio de curvatura mínimo admisible.
En la figura 2.2.1-1 se observa que en una curva de radio R, la distancia de visibilidad d depende de la distancia del observador al hastial del túnel. La expresión correspondiente es:
El valor de e dependerá de los anchos de bermas y veredas adoptadas para la sección tipo del túnel, y es distinto según sea la curva a derecha o a izquierda.
L min.s = Longitud mínima (m) para trazados en S (alineamiento recto entre alineamientos con radios de curvatura de sentido contrario).
L min.o =Longitud mínima (m) para el resto de casos (alineamiento recto entre alineamientos con radios de curvatura del mismo sentido).
L máx = Longitud máxima deseable (m).
V = Velocidad de diseño (km/h)
2.2.4 CURVAS CIRCULARES Y PERALTE.
Fijada la velocidad de diseño, el radio mínimo a adoptar en las curvas circulares se determinará en función del peralte y el rozamiento transversal movilizado, la visibilidad de parada en toda su longitud.
La coordinación del diseño del trazado en planta y perfil, especialmente para evitar pérdidas de trazado.
Para el diseño de las curvas circulares se seguirá lo establecido en el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (DG-2013).
Los radios mínimos y los peraltes máximos considerados son los que figuran en la tabla 302.02.
2.2.5 CURVAS DE TRANSICIÓN.
La curva de transición adoptada, en todos los casos, es la clotoide.
Su longitud deberá superar la necesaria para cumplir las limitaciones siguientes:
- Limitación de la variación de la aceleración centrífuga en el plano horizontal.
- Limitación por estética y guiado óptico.
- Limitación por condición de desarrollo del peralte
Para el diseño de las curvas de transición se seguirá lo establecido en el Manual de Carreteras: Diseño Geométrico (DG-2013) en la sección 302.05.
Las curvas de transición tienen por objeto evitar las discontinuidades en la
curvatura del trazado, por lo que en si diseño deberán ofrecer las mismas condiciones de seguridad, comodidad y estética que el resto de elementos de trazado, las longitudes y parámetros mínimos se muestran en la Tabla 302.10 del Manual de Carreteras: Diseño Geométrico (DG-2013).
2.2.6 VISIBILIDAD DE PARADA.
La distancia de visibilidad disponible será al menos igual a la distancia de parada (distancia de frenado + distancia de percepción - reacción) tal como se define en la tabla
2.2.6 - 1 TABLA 2.2.6 1 DISTANCIA DE PARADA
En esta tabla las distancias se han calculado para unas condiciones determinadas:
- Estado de la calzada medio.
- Rueda bloqueada. - Neumático europeo.
- Altura del agua 1 mm para el suelo mojado.
2.3 DISEÑO GEOMÉTRICO EN PERFIL.
En el perfil longitudinal se consideran prioritarias las características funcionales de de seguridad y comodidad que se deriven de la visibilidad disponible, de la deseable ausencia de pérdidas de trazado y de una variación continua y gradual de los arcos verticales parabólicos.
2.3.1 PENDIENTE.
Una primera condición para el trazado en perfil de un túnel es el drenaje de las aguas que afloran al mismo procedentes del terreno.
Se debe asegurar una pendiente mínima de un 0.2% a un 0.4% (según el CETU) para evacuar las aguas.
Asimismo, deben evitarse los diseños cóncavos que produzcan puntos bajos, pues se necesitaría en ellos disponer un bombeo para impedir la acumulación de agua.
Las rampas no serán superiores al 2% en túneles cortos (menores de 400 m), ni superiores al 1.5% en túneles largos por las razones que se indican a continuación:
La emisión de gases contaminantes de los vehículos aumenta con la inclinación de la rampa y se hace excesiva a partir de un 2% de pendiente.
La velocidad de los vehículos pesados se reduce excesivamente en rampas superiores a esos valores, lo que obligaría a diseñar carriles adicionales para vehículos lentos con el consiguiente aumento de coste.
La experiencia demuestra que cuanto mayor es la rampa, mayor es la probabilidad de que se produzca una avería de un vehículo, que quedaría inmovilizado, provocando reducción de la capacidad y riesgo de colisión.
Las pendientes descendentes son, por el contrario, beneficiosas por las razones contrarias a las anteriores, aunque en caso de incendio son perjudiciales por el efecto chimenea.
En general se aceptan las mismas limitaciones que para el caso de carretera al aire libre.
La tabla 2.3.1-1 recoge las limitaciones de rampas y pendientes en función de la longitud del túnel, propuestas por la Comunidad de los Pirineos.
TABLA 2.3.1 1 PENDIENTES Y RAMPAS MAXIMAS
En cualquier caso, salvo justificación en contrario, el trazado en perfil del túnel será tal que en toda su longitud la velocidad de los vehículos pesados no sea inferior a sesenta kilómetros por hora (60 km/h).
2.3.2 CURVAS VERTICALES.
Para los túneles se adoptara las longitudes mínimas establecidas en el tópico 303.04.03 de la sección 303 del Manual de Carreteras:
Diseño Geométrico (DG-2013). En carreteras a cielo abierto, la longitud mínima de las curvas verticales deberá cumplir:
- La visibilidad mínima de parada
. - Longitud Velocidad de Diseño (por consideraciones estéticas)
2.4 COORDINACIÓN ENTRE LA ALINEACIÓN HORIZONTAL Y EL PERFIL LONGITUDINAL.
El alineamiento horizontal y el perfil longitudinal de la carretera deberán estar coordinados de forma que el usuario pueda circular por ella de manera cómoda y segura.
Concretamente, se evitará que se produzcan pérdidas de trazado, definida ésta como el efecto que sucede cuando el conductor puede ver, en un determinado instante, dos tramos de carretera, pero no puede ver otro situado entre los dos anteriores.
Esta situación es muy difícil que ocurra en el interior de un túnel, ya que la visual queda interrumpida por las paredes y/o techo.
2.5 SECCIÓN TRANSVERSAL.
En el dimensionamiento de la sección transversal de un túnel entran en juego diversos factores: ancho necesario para la circulación del tráfico, gálibo necesario para la circulación de los vehículos, ancho de las veredas, bermas, necesidades geométricas de las instalaciones como pase de ductos, sistemas de drenaje, entre otros , equipamientos del túnel y, por último, la propia construcción del túnel.
Los túneles de carreteras tendrán como mínimo dos carriles.
2.5.1 ANCHO DE PLATAFORMA.
El ancho de los carriles es generalmente de 3.50-3.60 metros, salvo los carriles adicionales para vehículos lentos, que pueden ser de 3.00 metros.
Normalmente no se emplean carriles más estrechos de dichos valores salvo circunstancias excepcionales: carretera con poco tráfico y prácticamente sin vehículos pesados, en cuyo caso podrían ser válidos carriles de 3.00 metros.
El número de carriles debe ser el mismo que en la carretera al aire libre, dependiendo del tipo de vía, de la intensidad del tráfico y del nivel de servicio de la vía.
Los túneles de carretera generalmente tienen dos carriles y en ciertas circunstancias tres.
Si fueran necesarios cuatro carriles es preferible la opción de dos túneles paralelos de dos carriles cada uno, ya que las dificultades constructivas crecen aproximadamente con el cuadrado del ancho del túnel.
CARRETERAS DE CALZADAS SEPARADAS:
Calzada con dos carriles sin previsión de ampliación. La sección tipo estará formada por:
Para los túneles en los que la velocidad esté limitada o controlada mediante señalización variable, con tráfico poco intenso (saturación a más de 20 años) o en terrenos geológicamente desfavorables se podrá justificar la reducción a una sección más estricta no inferior a:
Aunque no se permita el tránsito de peatones, se dispondrán a ambos lados veredas elevadas de setenta y cinco centímetros (75 cm) de ancho, para facilitar las operaciones de conservación y para usuarios de vehículos averiados.
Calzada con dos carriles con previsión de ampliación a tres carriles.
La sección tipo una vez ampliada será:
Berma 0,5 m + 3 carriles de 3,6 m + berma 1,0 m = 12,3 m
Antes de la ampliación se dispondrá dentro de la plataforma de 12,3 m una sección de:
Berma 1,0 m + 2 carriles de 3,6 m + berma 2,0 m = 10,2 m
Se dispondrán a ambos lados veredas elevadas de setenta y cinco centímetros (75 cm) de ancho. Calzada con tres carriles. La sección tipo será:
2.5.3 ANCHO EN VEREDAS.
En túneles accesibles a los peatones de forma habitual, el ancho de la vereda será como mínimo de 1.50 metros y estará aislada de la calzada con barreras rígidas, flexibles u otro medio.
En el resto de los túneles la circulación de peatones se limita a los usuarios de vehículos averiados y a los empleados de mantenimiento.
En tal caso la vereda deberá permitir el paso de un hombre caminando, lo que requiere un ancho mínimo de 75 cm. Existen túneles sin veredas, pero la experiencia demuestra su utilidad.
Además, con las secciones de túnel modernas de hastiales curvos, las veredas vienen obligadas por el gálibo en altura, por lo que no suponen un sobrecoste adicional.
Por otra parte, el ancho de la vereda junto con la de la berma influye en el efecto pared y en la visibilidad en las curvas.
Para que el efecto pared no reduzca la capacidad de la carretera, el ancho mínimo de berma + vereda debe ser de 1.80 metros.
En cuanto a la visibilidad, véase literal D) del apartado 2.2.1 y la figura 2.2.1-1
El bordillo puede ser rebasable o no.
En general la tendencia actual es hacia los bordillos rebasables, de altura inferior a 15 cm, para reducir el efecto pared, permitir un sobreancho en caso de vehículos averiados o distracción del conductor y también para permitir la circulación de los vehículos de mantenimiento del túnel.
2.5.4 INSTALACIONES.
La ubicación de las instalaciones se debe tener en cuenta al dimensionar la sección tipo. La mayor influencia es la debida a la ventilación.
Si se trata de ventilación longitudinal se debe dejar sitio suficiente en la clave para los ventiladores, teniendo en cuenta que su diámetro llega hasta los 1.50 metros; con ventilación transversal o semitransversal debe disponerse un falso techo y una sección suficiente para los caudales de aire fresco y viciado que se requieran (véase el capítulo 15 sobre Ventilación).
La iluminación no necesita apenas sitio, y además es conveniente colocarla por encima de la altura de gálibo.
La señalización vertical se suele colocar sobre las aceras o por encima del gálibo de vehículos en el caso de paneles luminosos.
Por otra parte, las canalizaciones para cables y otras instalaciones se suelen colocar bajo la acera o adheridas al hastial en bandejas porta-cables.
En general, cuando se dimensiona la sección tipo del túnel, no se conocen las dimensiones exactas de los elementos de las instalaciones, por lo que es conveniente diseñar la sección de forma amplia, del lado de la seguridad.
Muchas veces son las instalaciones las que se adaptan a la sección tipo del túnel y no a la inversa.
En la figura 2.5.5-1 se muestra una sección de túnel con la disposición habitual de todos los elementos de ventilación, iluminación y seguridad.
2.5.5 EXCAVACIÓN DEL TÚNEL.
Si el túnel se excava con máquina tuneladoras (topo), la sección transversal está obligada a ser circular. Existen, no obstante, tuneladoras con varias cabezas cortantes que dan secciones ovaladas. Con explosivos o rozadora puede conseguirse cualquier sección tipo, aunque por estabilidad siempre son aconsejables las secciones circulares o policéntricas redondeadas.
En túneles de dos carriles se suele usar una sección de radio único, mientras que para anchos mayores se tiende a secciones de tres centros para optimizar más el volumen de excavación.
2.6.1 CONEXIONES TRANSVERSALES.
Se habilitaran salidas de emergencia si los análisis de los riesgos pertinentes, entre ellos la extensión del humo y la velocidad de su propagación en condiciones locales, demuestran que la ventilación y demás medidas de seguridad son insuficientes para garantizar la seguridad de los usuarios de la carretera.
En cualquier caso, en los túneles nuevos se habilitarán salidas de emergencia cuando el volumen de tráfico sea superior a 2000 vehículos por carril (Directiva europea de Seguridad en túneles).
EVACUACIÓN DE PEATONES
En el caso de que la circulación quede detenida dentro del túnel hay que prever un posible escape para peatones.
En el caso de un túnel único deberá hacerse necesariamente por las aceras del mismo; en el caso de túneles dobles unidireccionales se recomienda construir galerías de unión entre ambos, cada 400-500 metros, de dimensiones mínimas 1.40 x 2.60 metros.
En caso de incendio este diseño permite a los peatones abandonar el túnel lleno de humo y escapar por el otro tubo.
En la figura 2.6.1-1 se muestra una sección tipo para esta galería.
- Salidas a una galería de emergencia
- Refugio con vía de evacuación separada del tubo del túnel.
No se construirán refugios que carezcan de salida a vías de evacuación al exterior.
EVACUACIÓN DE VEHÍCULOS
También se recomienda habilitar, en el caso de túnel con doble tubo, galerías de conexión entre tubos para vehículos cada 1000 metros, de dimensiones mínimas 4.0 x 3.5 metros.
Un ejemplo de sección tipo se muestra en la figura 2.6.1-2.
En la figura 2.6.3-2 se muestra un esquema en planta de un túnel de autopista (dos tubos paralelos unidireccionales), mostrando la situación de cada uno de los elementos de seguridad descritos.
Se ha adoptado un módulo de 150 m, de forma que en cada módulo hay un nicho de seguridad, cada dos módulos hay además una galería de conexión entre tubos para peatones, y cada cuatro módulos hay nicho, apartadero y galería de conexión para vehículos.
Lógicamente, la disposición y distancia entre elementos dependerán de cada caso particular, y en concreto de la longitud del túnel.
2.7 CARTOGRAFÍA Y TOPOGRAFÍA.
La georeferenciación deberá ser elaborada en el sistema WGS84, estableciendo en cada uno de ellos sus coordenadas UTM Deberá implementar equipos de topografía necesario, capaz de trabajar con el grado de precisión necesario, que permita cumplir con las exigencias y dentro de los rangos de tolerancia especificados.
Asimismo se deberá proveer el equipo de soporte para el cálculo, procesamiento y dibujo.
En los trabajos Topográficos, en el informe se debe presentar la metodología fundamental que se usó en los trabajos topográficos, diferenciando áreas levantadas, longitud de poligonales, magnitud de los errores de cierre, localización de puntos de control y de puntos para replanteo.
La escala en el cual se deberá presentar los planos será:
ü Para estudios definitivos la cartografía a utilizar es: escalas 1/2000, 1/1000 y 1/500 y para el diseño de los portales de entrada, monteras de recubrimiento, etc.
Se realizaran a escala 1/ 200. ü Para la construcción a pie de obra la cartografía a utilizar es:
escalas 1/1000 y 1/200.
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