12 Dic 14

Uso de fibras de acero para la construcción de túneles

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El uso de elementos de sistemas de revestimiento de túneles con secciones prefabricadas de concreto ha ido en aumento debido a su eficiente y económica aplicación en comparación con la técnica convencional.


El uso de elementos de sistemas de revestimiento de túneles con secciones prefabricadas de concreto ha ido en aumento debido a su eficiente y económica aplicación en comparación con la técnica convencional. Esta clase de segmentos son adecuados tanto para suelos blandos como duros, ya que pueden servir a la vez como apoyo preliminar y final para los túneles construidos con tuneladoras T.B.M. (Tunnel Boring Machine).

Uso de fibras de acero
Segmentos prefabricados de concreto utilizados para la construcción de túneles. Crédito: Flickr – WSDOT

La rápida construcción es una de los factores positivos de esta tecnología, ya que a medida que la tuneladora avanza va instalando las secciones del túnel. También se tienen otras ventajas importantes al usar estos prefabricados, entre las que se destaca la calidad y el acabado obtenido, debido al mejor control durante la fabricación de las secciones. Durante la construcción de los segmentos prefabricados de concreto se incluyen pasos y procesos repetitivos, los cuales permiten una reducción de los desperdicios en comparación con el vaciado de concreto en sitio.


Proceso constructivo de uno de los segmentos prefabricados de concreto. Crédito: Flickr – Sound Transit

Es importante destacar que los túneles construidos con este tipo de elementos han tenido un comportamiento adecuado en zonas de sismicidad alta como lo son: México, California y Japón; entre otros, donde las secciones prefabricadas han trabajado correctamente sin comprometer la integridad estructural del túnel.

Los segmentos prefabricados de un túnel se construyen normalmente utilizando concreto reforzado convencional y generalmente son diseñados para una vida útil de 100 años. Sin embargo, la corrosión del acero de refuerzo es el principal problema que tiene el uso de esta tecnología, ya que la durabilidad de los segmentos y la capacidad de carga se pueden ver comprometidos por ataques de iones de cloruro ya sea del subsuelo, del agua o de las sales de los procesos de hielo y deshielo. Generalmente estos ataques se generan por fisuras y grietas en el concreto, donde no solamente los iones de cloruro atacan el refuerzo estructural sino que también el oxígeno y la humedad aceleran el proceso de corrosión. De acuerdo con en ACI 224 el ancho de las grietas permisibles para este tipo de elementos de concreto sometido a condiciones ambientales de humedad y exposición al agua y suelo es de 0,30 mm.

LAV, Madrid - Valencia. 5 03 2009.
Fisuras y grietas en un túnel construido con la técnica convencional. Crédito: Flickr – Ministerio de Fomento

Investigaciones recientes han demostrado que el concreto reforzado con fibras metálicas es un material prometedor y que tiene mejor comportamiento que el concreto convencional para la elaboración de secciones prefabricadas utilizadas para la construcción de túneles. Esta clase de concreto reforzado con fibras metálicas ha sido utilizado exitosamente en proyectos como la línea 9 del metro de Barcelona, el metro de Madrid, el sistema de acueducto y alcantarillado de Seattle, entre otros. La utilización de fibras de acero restringe la propagación de las fisuras y grietas que se puedan generar durante el montaje de los segmentos prefabricados del túnel; de la misma forma el refuerzo con fibras mejora el comportamiento bajo impacto y también la resistencia a la fatiga. Adicionalmente una de las características notables de las mezclas de las fibras de acero es su resistencia a la corrosión, la cual no permite la aparición y propagación de este fenómeno en el concreto. También es importante destacar que al usar este tipo de materiales se logra un mejor aislamiento y resistencia al fuego en el concreto.

Una investigación reciente realizada por el Instituto Americano de Concreto para la ampliación del metro en Canadá buscó comparar el uso de concreto convencional y el concreto reforzado con fibras de acero y su comportamiento en los segmentos prefabricados usados para la construcción del túnel. Para esta investigación se tomaron secciones de 3,18 m de longitud y 1,5 m de ancho, de las cuales se obtuvieron núcleos para para determinar la resistencia a la compresión y a la tracción tanto del concreto convencional como del reforzado con fibras de acero.

Para tener un resultado significativo el resultado fue el promedio de cinco núcleos, en donde la resistencia promedio a la compresión del núcleo para el concreto reforzado convencional fue de 60,0 MPa (8.700 psi) y para el concreto reforzado con fibras de acero fue de 61,4 MPa (8900 psi), lo que evidencia que la adición de fibras no causó efecto significativo en la resistencia a la compresión. El otro ensayo, correspondiente a la resistencia a la tracción tuvo los siguientes resultados: 7,5 MPa (1.008 psi) para el concreto reforzado convencional y 9,0 MPa (1.030 psi) para el concreto reforzado con fibras de acero, hecho que indica que para este caso la adición de fibras en la mezcla de concreto mejoró la resistencia a la tracción en aproximadamente 20%.

Las muestras también fueron sometidas a pruebas de empuje de carga, las cuales tenían como propósito evaluar las tensiones de la tracción y empuje inducidos por las tuneladoras T.B.M. durante la fase de construcción. De estos ensayos se pudo concluir que el comportamiento en los dos tipos de mezclas era comparable y que el patrón de agrietamiento encontrado indicaba la capacidad de los segmentos (de concreto reforzado convencional o de concreto con adición de fibras de acero) para soportar las cargas de empuje típicas inducidas por las T.B.M.


Tuneladora que avanza en el proceso de excavación y simultáneamente realiza la instalación de los segmentos prefabricados de concreto. Crédito: Flickr – Jesús Mallo

Cuando se realiza el diseño de segmentos prefabricados de concreto para la construcción de túneles, se deben tener presentes todas las fuerzas provocadas por las cargas impuestas durante y después de la construcción, las cuales varían de un sitio a otro ya que dependen de las características del suelo. Otras cargas inducidas que los segmentos deben resistir son las producidas durante su manipulación, almacenamiento y elevación.

A partir del análisis de las secciones y los ensayos realizados se obtuvieron conclusiones como:

– Las secciones construidas con concreto reforzado con fibras de acero tienen alto potencial en túneles donde el principal problema sean las fisuras generadas por el servicio y puesta en marcha del túnel. Los experimentos demostraron que los segmentos producidos con este tipo de mezcla se comportaban mejor durante la fabricación, manejo, entrega, instalación y demás procesos realizados en sitio.
– Los segmentos reforzados con fibras de acero exhibieron menor ancho de fisura en comparación con la de los segmentos de concreto reforzado convencional.
– Los segmentos de concreto reforzado convencional tuvieron mayor capacidad de disipación de energía en comparación con los reforzados con fibras de acero.


Túnel construido con secciones de concreto prefabricado. Crédito: Flickr – WSDOT


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Redacción 360° en concreto otro Ciudad: País: Colombia

Comunicadora Social y Periodista de la Universidad de Antioquia (2007). Especialista en Mercadeo de la universidad EAFIT (2015). Actualmente me desempeño como Jefe de Estrategia Digital en Argos. Como redactora he cubierto temas de cultura, medio ambiente e industria. Amo el arte en todas sus expresiones.


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