Excavación de Túneles en Diferentes Formaciones Geológicas

Granitos

Composición y excavabilidad: La excavabilidad del granito depende fundamentalmente de su contenido de cuarzo, dado que el feldespato y la mica son minerales más blandos. Proporciona información crítica sobre la estabilidad, la excavabilidad y la presencia de agua.

• Métodos de excavación:
  • Rozadoras: Generalmente ofrecen una presión insuficiente para esta roca.
  • Tuneladoras (TBM): Son aptas, pero con un alto índice de desgaste.
  • Perforación y voladura: Es un método también aplicable y habitual.
• Características estructurales: Es una roca impermeable, excepto en las diaclasas, las cuales son producidas por disolución y enfriamiento.
• Inclusiones: Es habitual la inclusión de rocas ácidas (más duras) que retrasan el proceso de avance.
• Ejemplos: Túneles de Guadarrama y Albarellos.

Andesitas, Basaltos y otras rocas volcánicas

Estas rocas se producen por el enfriamiento de coladas y presentan una pasta vítrea con sílice. Son extremadamente duras.

• Excavación: No existe ninguna rozadora capaz de excavarlas y hay muy pocas tuneladoras adaptadas para estas condiciones.
• Diaclasas por enfriamiento: Son subverticales y producen disyunciones columnares de decímetros o metros; se suelen solucionar mediante el uso de bulones.
• Vacuolas: Estas «burbujas» pueden restar eficacia a la fuerza de los explosivos.
• Meteorización: Algunas variantes sufren procesos de alteración, como la ignimbrita (donde, por acción del agua, los compuestos silicatados pasan a ser arcillas muy expansivas) y la traquita.
• Complejidad: La alternancia con capas inconsistentes hace que rara vez se pueda usar tuneladora. La presencia de chimeneas y diques aumenta considerablemente el coste.
• Ejemplos: Islas Canarias y Travasur.

Pizarras y esquistos

En estas rocas metamórficas, el análisis se centra en el contenido de sílice y su grado de metamorfismo. Presentan juntas de esquistosidad debido a las altas presiones y temperaturas sufridas.

• Desafíos: Surgen problemas si las juntas están situadas «al hilo del túnel». Son muy sensibles a las fallas, las cuales disminuyen su resistencia.
• Excavación: Son bien excavables mediante rozadora y técnicas de perforación y voladura.
• Meteorización: Presentan el fenómeno de «venteo» (las hojas se abren y, por la tensión capilar del agua, aumenta la descompresión).
• Sostenimiento: Se utiliza gunita en zonas menos meteorizadas; de lo contrario, se requieren bulones y cerchas. Puede existir disimetría en túneles oblicuos.
• Ejemplo: Túnel de El Atazar.

Túneles en cuarcitas

Presentan una gran dureza y relieves acastillados, resultando muy costosas de excavar. Es común que se produzcan sobreexcavaciones al utilizar explosivos. Una ventaja es que, en ocasiones, se pueden mantener sin necesidad de sostenimiento.

Areniscas

Compuestas por fragmentos de arenas cementadas en una matriz que puede ser silícea (más duras y abrasivas) o calcárea.

• Estructura: Frecuentemente diaclasadas debido a su rigidez.
• Arcosas: Presentan fallas, son deformables y duras de excavar, pero ofrecen un mal sostenimiento y poca resistencia.
• Técnicas especiales: Caso especial de uso de Jet Grouting.
• Ejemplo: Túnel en Santander.

Calizas

Rocas resistentes que no se deforman significativamente. A mayor pureza de la caliza, mayor es su solubilidad.

• Excavación: Se cortan bien con tuneladoras, con un coste medio.
• Problemas geológicos: El Karst genera dificultades frente al uso de explosivos. El mayor problema son las diaclasas abiertas por disolución y los graves problemas de agua.
• Sostenimiento: Se emplean bulones y gunitas. En estratificación horizontal con techos planos, pueden producirse caídas en los «riñones» de la excavación, aunque la estratificación sirve como encofrado de las capas superiores.
• Ejemplos: Sitges-Llobregat y Jeresa.

Arenas

Su dureza depende de si son silíceas. Un caso particular es la arena de miga en Madrid, procedente de la descomposición de gneises y granitos.

• Comportamiento: Presentan una inconsistencia que debe tratarse antes de la excavación. No suelen presentarse solas, lo que cambia sus propiedades.
• Tratamientos: Uso de tuneladoras de frente cerrado o inyecciones de cemento (pasando a mortero).
• Ejemplo: M-40 (arenas de miga).

Gneises

Compuestos por cuarzo, feldespato y mica (similar al granito), compartiendo su dureza. Al ser una roca metamórfica, añade problemas de juntas de esquistosidad y baja resistencia al corte. Presentan procesos de jabrización.

• Ejemplo: Guadarrama (donde destaca el problema del cruce de fallas).

Arcillas

La humedad aumenta su plasticidad y disminuye su resistencia. Aunque ofrecen buena estabilidad a corto plazo, a largo plazo tienden a deformarse.

• Expansividad: Presencia de minerales del grupo de las esmectitas.
• Deformabilidad: Destacan los miocenos arcillosos y las arcillas azules del Guadalquivir.
• Ejemplos: Túnel de Itoiz y zona de Juan Bravo.

Gravas

Comparten las características de las arenas pero son más inconsistentes; además, su consistencia no aumenta con la humedad. Es común la presencia de otras fracciones granulométricas.

• Tratamientos: Geles, cementos o congelación.
• Excavación: Requieren tratamiento previo o el uso de tuneladoras de frente cerrado. Generalmente, se intenta evitar el trazado de túneles a través de gravas.
• Ejemplo: Jubilee Line en Londres.

Conglomerados y Pudingas

Formados por clastos silíceos o calcáreos y una matriz arcillosa. Las dificultades surgen por la diferencia de dureza entre la matriz y los clastos.

• Perforación: Las barrenas tienden a torcerse al intentar evitar los clastos silíceos más duros.
• Excavación: Las tuneladoras trabajan mal debido al desgaste por la heterogeneidad. Sin embargo, no presentan muchas diaclasas y son menos rígidas, por lo que no suele haber desprendimiento de bloques.
• Métodos: Explosivos, tuneladoras e incluso rozadoras.
• Alternancias: Es común la alternancia con arcillas, lo que puede provocar el cabeceo de la tuneladora hacia la zona blanda.
• Ejemplo: Las Médulas.

Dolomías

Se aplica lo dicho para las calizas, con la excepción de que presentan una mayor porosidad debido a la sustitución de parte del calcio por magnesio. Son más permeables y, ante una falla, presentan una mayor fragilidad y rotura.

Margas

Sus propiedades varían entre las de las calizas y las arcillas en función de su contenido. La resistencia al corte de las diaclasas es muy baja. Su mayor resistencia se manifiesta cuando se comportan de forma similar a la arcilla.

Anhidritas y yesos

La anhidrita se encuentra generalmente por debajo de los 50-80 metros, mientras que los yesos aparecen a menos de 50 metros.

• Expansividad: La hidratación de la anhidrita provoca una fuerte expansión.
• Solubilidad: Es soluble a corto plazo dentro de la vida útil de la obra. El Karst en estas rocas es poco longevo.
• Impacto: Puede alterar drásticamente las condiciones de resistencia del túnel y es altamente agresivo frente a los hormigones.