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ASOCIACIN DE INGENIEROS DE MINAS DEL ECUADOR

MODULO 7 : Hidrogeologa de TnelesGEOCONSULT

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MODULO 7

Hidrogeologa de Tneles

GEOCONSULT LATINOAMERICA LTDA.

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El anlisis y manejo de las condiciones hidrogeolgicas es uno de los aspectos ms importantes para la construccin de obras subterrneas.

El efecto de las aguas del macizo influye en:Metodologa constructivaNecesidades de soporteVelocidad y seguridad de excavacinElementos de impermeabilizacin temporal o definitivaDinmica de las aguas subterrneas y superficiales durante la construccin y operacin

Una de las formas de conocer mejor y manejar las aguas subterrneas es la construccin de tneles piloto, para obras muy largas y profundas

Introduccin





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La hidrogeologa de una zona se encuentra determinada por los siguientes factores:

Las caractersticas geolgicas. El comportamiento de las diferentes litologas es diferente con respecto a almacenar y transmitir el agua.

La climatologa. Principal fuente de agua y condiciona la recarga de los acuferos

La geomorfologa. Tambin condiciona el comportamiento hidrogeolgico de la zona. Si la escorrenta superficial se da con velocidades altas, la posibilidad de infiltracin disminuye.

Conceptos Bsicos de Hidrogeologa





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El origen de las aguas subterrneas puede ser

de:

Aguas metericas procedentes de precipitaciones atmosfricas.

Aguas metamrficas que se forman en los procesos fsico qumicos de metamorfizacin de la roca.

Aguas juveniles que se forman en procesos de diferenciacin magmtica en el ascenso de rocas gneas hacia la superficie.





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Los mecanismos de almacenamiento del agua en formaciones rocosas

subterrneas son:

Agua libre, formando corrientes fluyentes con una superficie libre.

Agua de retencin, en materiales granulares, retenida por fuerzas de tipo polar.

Agua capilar, se encuentra sobre el nivel piezomtrico, retenida por fuerzas de capilaridad.

Agua de gravedad, que rellena los poros, fisuras y fallas.

Agua de constitucin, hace parte de la estructura qumica de las formaciones geolgicas.





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Las formaciones geolgicas se clasifican en funcin de su capacidad de

almacenar y transmitir el agua:

Acufero, es la formacin que posee la facultad de absorber, contener y transmitiragua, como pueden ser las arenas y gravas

Acuitardo, puede absorber y contener el agua, pero la transmite muy lentamente,como las arcillas arenosas o limosas

Acuicludo, es la formacin que puede contener agua, pero sin poder transmitirla,como las arcillas

Acufugo, no puede contener, absorber, ni transmitir el agua, como el caso de un macizo grantico sin fracturamiento.





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Los parmetros hidrogeolgicos ms importantes son:

Porosidad es la relacin entre el volumen de los poros y el volumen total del material. Muestra la capacidad de almacenar el agua.

Permeabilidad o conductividad hidrulica, es la propiedad del material que permite la filtracin y circulacin del agua a travs de poros conectados entre s.

Gradiente hidrulico, es la diferencia de carga hidrulica entre dos puntos de la zona saturada en relacin con la distancia que los separa.

Transmisividad, cuantifica la capacidad que tiene un acufero para ceder agua.





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Estudios Geolgicos e Hidrogeolgicos de Tneles

Planeacin de actividades

Recopilacin y anlisis de informacin previa

Fotointerpretacin geolgica

Fotografas satelitales

Fotografas areas

Imagen Satelital Sector Bogot Armenia(Tnel la Lnea, 8.6 Km., 2500 msnm)





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Cartografa geolgica, hidrogeolgica y geotcnica

Tipo de roca, estratigrafa, litologa, textura, tamao, forma de granos, minerales principales, estructura, composicin, tipo de plegamiento, escala y simetra, meteorizacin, dureza, RQD, discontinuidades, numero y distribucin, orientacin, tipo, persistencia, espaciamiento, forma, rugosidad, relleno, presencia y cantidad de agua, etc.

Anlisis de discontinuidades, fracturamiento y fallamiento

Interpretacin geolgica e hidrogeolgica y generacin de un modelo digital del terreno (DTM) en escalas 1:10.000 para prefactibilidad y factibilidad hasta 1:1.000 o menor para diseo definitivo.





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Ubicacin de diferentes alternativas de Tnel La Lnea (frreos y carretero)





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Fotografa area para definicin de portales





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Durante los estudios y diseos de tneles, en especial cuando estos tienen dimensiones importantes, es primordial la realizacin de investigaciones y modelaciones necesarias para predecir el comportamiento real del macizo rocoso bajo las condiciones de presencia y presin del agua, el volumen de las aguas infiltradas durante construccin y operacin, el comportamiento del nivel fretico, de las aguas superficiales, el efecto en la vegetacin circundante y en el balance hdrico de la zona.





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Aspectos hidrogeolgicos:

Disponibilidad de informacin como mapas hidrogeolgicos y publicaciones

Condiciones generales: acuferos, reas con flujo artesiano, movimiento del agua subterrnea, qumica del agua, permeabilidad y lmite entre agua salobre y agua potable.

Niveles piezomtricos, coeficiente de permeabilidad basados en investigaciones in situ o ensayos de laboratorio, coeficientes de almacenamiento y parmetros geoqumicos

Propiedades hidrogeolgicas de rocas y suelos. Acuferos, acuitardos, acuicludos, acufugos

Fuentes y filtraciones. Fuentes permanentes e intermitentes, lneas de filtracin, corrientes peridicas y cuantificacin de flujos.





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Tnel La Lnea

Tnel El Salvador





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Ensayos en las perforaciones:

Permeabilidad tipo Lugeon o Lefranc

Permeabilidad, transmisividad y almacenamiento (bombeo)

Diagrafas (logging): microssmico, elctrico, radioactivo (gammagrafa), otros

Esfuerzos in situ: Overcoring, Gato plano, Fracturacin hidrulica, Placa de carga, corte in-situ

Temperatura

Nivel fretico





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Modelacin Hidrogeolgica

Tnel de Oriente 8.2 km (Medelln - Rionegro)





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Modelacin Hidrogeolgica

Tnel La Lnea





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Drenaje e impermeabilizacin de Tneles

Factores a tener en cuenta en el diseo del tnel:

Caudales estimados

Condiciones del terreno y tipo de construccin

Condiciones del agua

Grado de impermeabilidad requerido

Elementos necesarios de la impermeabilizacin

El comportamiento hidrogeolgico, depende de las caractersticas geolgicas del rea y de la climatologa, en colaboracin con la geomorfologa.





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Parmetros hidrogeolgicos:Porosidad

Permeabilidad

Gradiente hidrulico

Transmisividad

Factores de influencia en el clculo:Condiciones de superficie

Caractersticas del terreno

Condiciones ambientales

Caractersticas del agua

Estimacin de caudales:Mtodos de Goodman, Heuer, Hvorslev

V= 10.S.T (i1+i2+i3+...+in)

V = Volumen de escorrenta (m3)

S = rea de la cuenca (Ha)

i = intensidad (mm/h) (1mm =10 m3/Ha)

T = Tiempo (min.)





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El drenaje y la impermeabilizacin de tneles tiene una gran importancia tanto tcnica como econmica.

Favorece la calidad y el confort de terminacin del mismo y mejora las condiciones de mantenimiento.

Una optima impermeabilizacin NO es lo ms importante, sino la eleccin correcta de los materiales con respecto a las condiciones de un determinado momento y lugar.





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Impermeabilizacin principal - Colocacin y control





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Metro Bilbao





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Drenaje e impermeabilizacin de TnelesTnel de San Jernimo 4.6 Km. (Medelln Occidente)





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Drenaje e impermeabilizacin de TnelesTnel Buenavista 4.5Km (Bogot Villavicencio)





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Drenaje e impermeabilizacin de TnelesTnel Buenavista 4.5Km (Bogot Villavicencio)

Tnel boquern 2.4Km





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Drenaje e impermeabilizacin de TnelesTnel La Lnea 8.6 km (Ibagu Armenia)





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Drenaje e impermeabilizacin de TnelesTnel Vigo





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Tneles pilotoTneles piloto son una solucin para el manejo del agua en grandes proyectos de tneles.

Es un importante mtodo exploratorio

Tneles Pilotos permiten:Informacin detallada sobre el rgimen geolgico e hidrogeolgico

Ensayos in-situ para obtener mediciones del ingreso de aguas

Bajar el nivel fretico

Abrir nuevos frentes de excavacin

Bajando el nivel fretico disminuye la presin del agua sobre la clave del tnel, se genera mayor estabilidad del frente de excavacin.

La realizacin de Tneles Piloto implica menores deformaciones durante la excavacin del tnel principal y otras obras subterrneas.

Tneles Pilotos pueden ser usados despus como parte del sistema deemergencia o de ventilacin.





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Tneles piloto - Tnel Base Semmering

Tnel Base SemmeringTipo de Tnel: Frreo bidireccionalUbicacin: Austria (entre las provincias de Baja Austria y Styria)Longitud: cerca de 22.7 kmGeologa: varias unidades geolgicas incluyendo rocas metamrficas y calizas carstificadasSeccin transversal del tnel principal: 78.1 mIngreso de agua: Durante la excavacin del tnel piloto hubo dos eventos importantes que ocurrieron con un caudal aproximado de 300 l/s y 20 bares de presin.

Baj el nivel fretico generalVarios nacimientos de agua se secaron

Estado actual: El nivel del agua se mantiene bombeando agua detrs de una pared en el final del Tnel Piloto. El incremento de los costos de construccin y de los efectos hidrogeolgicos por las condiciones de manejo del agua llev a una paralisis temporal de la construccin de tneles piloto y principal.





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Tneles piloto - Tnel Base SemmeringIngreso de agua al tnel piloto





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Tneles piloto - Tnel KoralmTnel KoralmTipo de Tnel: frreo con doble tuboUbicacin: Austria (entre las provincias de Styria y Carinthia)Longitud: 32.8 kmGeologa: Rocas metamrficas, en ambos portales del tnel se presentan rocas sedimetarias terciarias. Zona de falla de 4 kmDatos tcnicos: Tnel de doble tubo que incluye varias galeras transversales y una estacin para interseccin de emergencia

Mxima cobertura: 1,250 mSeccin de tnel principal: 82 mTnel Piloto (Styria): longitud 2.5 km, seccin transversal 22 m2Tnel Piloto (Carinthia): longitud 8 km, seccin 40 m2Pozo de acceso: profundidad 120 m, seccin transversal 60 m2

Estado actual: Excavacin de los tneles piloto





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Tneles piloto - Tnel Koralm

Esquema del proyecto incluyendo las estructuras piloto





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Presin de poros del agua

Esfuerzos verticales





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Estructura piloto del pozo Paierdorf





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Tneles piloto - Tnel Base Brenner

Proyecto: Tnel Base Brenner, Ferrocarril de Alta Velocidad Munich Verona; Corredor de Acceso Norte.

Ubicacin: Valle de Inn Valley, Tyrol, Austria

Longitud del Corredor: total 41 km, 36.7 km de estructuras subterrneas

Condiciones especiales: Situado en reas densamente pobladas

Tneles Piloto: para dos sectores (Tnel Vomp y Tnel Brixlegg).

Tnel Vomp: 3 tneles piloto, longitud total 10.5 km; Vomp West, VompEast y Fiecht

Tnel Brixlegg: 2 tneles piloto, longitud total 7.4 km; Brixlegg East y Brixlegg West





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Tneles piloto - Tnel Base BrennerAcceso norte al Tnel Base Brenner





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Tneles piloto - Tnel Base BrennerTnel Piloto Vomp East

GeologaSeries de gravas cargadas con aguas subterrneas intercaladas con capasde arenas finas

HidrogeologaCada capa de gravas = acufero simple implica un incremento de la infiltracin de aguas durantela excavacin del tnel, serios problemashidrogeolgicos .Ingreso Aproximado de agua: 100 l/s.

Seccin de excavacin 30 m, problemas manejables con NATM





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Tneles piloto - Bypass de Henndorf

Tipo de Tnel: bypass incluyendo un tnel carretero

Ubicacin: Austria (provincia de Salzburgo)

Longitud Total: 3,555 m

Tnel Principal: 2,150 m

Tnel de Escape: 1,426 m

Geologa: Sedimentos con cenizas, depositos glaciales (morrenas)

Datos tcnicos: Tnel carretero bidireccional que incluye galeras transversalesTrinchera abierta: 180 m + 300 m

Tnel excavado : 1,670 m

Seccin transversal del Tnel principal: 76 119 m2

Tnel Piloto: Tnel de Escape Norte y tnel de ventilacin

Mtodo de excavacin: NATM

Estado actual: Excavacin del Tnel Piloto





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Tneles piloto - Bypass de Henndorf

Tnel piloto





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Tneles piloto - Tnel Piloto Kaponig

Tipo de Tnel: Ferroviario

Ubicacin: Austria (provincia de Carithia)

Longitud Total: approx. 3.5 km

Geologa: Esquistos micaceos, filitas, cuarzitas, localmente con fallamientos

Datos Tcnicos: Tnel frreo de doble tuboTnel Piloto: approx. 3 km; seccin transversal 12 15 m2

Tnel de ensayos: approx. 120 m; seccin trasversal 120 130 m2

Tnel de acceso: 385 m; seccin transversal 50 m2

Mtodo de Excavacin: NATM con perforacin y voladura

Cobertura: mas de 100 m

Ingreso local de agua: 300 l/srea de colapsoconstruccin de paraguas con tubos

Estado actual: Excavacin del tnel piloto





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Tneles piloto - Tnel Piloto Kaponig





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Tneles piloto - Tnel Piloto La Lnea

Tipo de Tnel: Carretero

Ubicacin: Colombia (entre departamentos Tolima y Quindio)

Longitud Total: approx. 8.6 km

Geologa: Rocas Igneas (porfidos) y Metamrficas (Esquistos, metadiabasas), localmente brechas de falla.

Datos Tcnicos: Tnel carretero bidireccionalTnel Piloto: approx. 8.5 km; seccin transversal 16 24 m2

Tnel Principal: 8.6 km; seccin transversal 82 112 m2

Mtodo de Excavacin: NATM con perforacin y voladura

Cobertura: ms de 850 m

Ingreso local de agua: 500 - 600 l/sportal Galicia gravedad; portal Bermelln - bombeo

Estado actual: Excavacin de tnel piloto 100 m desde Portal Galicia y 700 m desde Portal Bermellon.





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Portal Bermelln 655.5 m

Portal Galicia 166.8 m





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Tneles piloto - Ventajas

Bajos costos para perforaciones de investigacin y otros trabajos exploratorios

En una seccin transversal pequea pueden ser manejados en formaanticipada los problemas geolgicos, hidrogeolgicos y geotcnicos

Abatimiento del nivel fretico

Disminucin de plazos de construccin por la construccin de nuevos frentes internos

Uso del tnel piloto como parte del sistema de rescate o del sistema de ventilacin





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Conclusiones y Recomendaciones

En el diseo, construccin y operacin de tneles y obras subterrneas el manejo del agua es uno de los factores ms importantes.

Siempre encontraremos agua en el macizo que nos define:Metodologa constructiva

Necesidades de soporte

Velocidad y seguridad de excavacin

Elementos de impermeabilizacin temporal o definitiva

Dinmica de las aguas subterrneas y superficiales durante la construccin y operacin

La construccin de tneles piloto para conocer mejor y manejar las aguas subterrneas es una alternativa que disminuye costos y plazos deconstruccin.





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