Estudio de factibilidad técnica de un túnel de vialidad para comunicar las zonas central y sud de la ciudad de Oruro
M. Sc. Ing. Rubén Medinaceli Tórrez
Ingeniero Civil e Ingeniero de Minas
Carrera de IngenierÍa de Minas, Petróleos y Geotecnia - Universidad Técnica de Oruro – Oruro – Bolivia.
Escola de Engenharia de São Carlos - Departamento de Geotecnia – Universidade de São Paulo - São Carlos – Brasil.
ruben.medinaceli@usp.com
La mayorÍa de los centros de abasto, centros educativos, bancos, oficinas de instituciones que ofrecen servicios básicos, servicios profesionales y otros se encuentran en la zona central de la ciudad de Oruro. Este hecho genera que un flujo importante de personas se traslade desde la zona sud hasta la zona central y viceversa. Si bien la cantidad de medios de transporte entre estas zonas ha crecido considerablemente, el flujo vehicular se ha hecho pesado, lento y difÍcil. En consecuencia, es latente la necesidad de incrementar las vÍas de acceso entre la zona central y la zona sud de la ciudad.
Desde hace veinte o más años diferentes autoridades de la ciudad (alcaldes, gobernadores y otros) han expresado que la construcción de un túnel entre la zona central y la zona sud a través de la serranÍa que delimita ambas zonas permitiría superar las dificultades anotadas anteriormente. Sin embargo, hasta la fecha ninguna institución cuenta con un proyecto que permita establecer con bastante aproximación la factibilidad técnica del mencionado túnel.
Por tanto, un proyecto de factibilidad técnica de dicho túnel permitirá que las autoridades de la ciudad puedan considerar esta alternativa en la toma de decisiones para superar el grave problema del flujo vehicular entre la zona central y la zona sud de la ciudad de Oruro.
Palabras clave:
Túnel, factibilidad, técnica, vialidad.
Abstract
The population of the southern part of the city of Oruro has had a remarkable growth in the last three decades, so much so that currently approximately one third of the Oruro population lives in this area.
Most of the supply centers, educational centers, banks, offices of institutions that offer basic services, professional services and others are located in the central area of the city of Oruro. This fact generates that a significant flow of people moves from the south to the central zone and vice versa. Although the amount of means of transport between these areas has grown considerably, the vehicular flow has become heavy, slow and difficult. Consequently, there is a latent need to increase the access roads between the central and southern areas of the city.
For twenty or more years different city authorities (mayors, prefects and others) have expressed that the construction of a tunnel between the central zone and the southern zone through the mountain that delimits both zones would allow overcoming the difficulties noted above. However, to date no institution has a project that allows to establish with sufficient approximation the technical feasibility of the aforementioned tunnel.
]]> Therefore, a technical feasibility project of this tunnel will allow the city authorities to consider this alternative in decision-making to overcome the serious problem of vehicular flow between the central zone and the southern zone of the city of Oruro.Keywords:
Tunnel, feasibility, technique, roads.
INTRODUCCIÓN
La escasez de vías de acceso, en términos de calles y avenidas, entre la zona central y la zona sud de la ciudad de Oruro es un problema evidente para los pobladores y las autoridades de esta ciudad, como evidente es la necesidad de resolver pronto este problema.
Una de las alternativas de solución que se ha manejado desde hace bastante tiempo y tiene mayor respaldo se refiere a la construcción de un túnel de aproximadamente un kilómetro de longitud que atraviese la serranía que delimita ambas zonas de la ciudad.
Sin embargo, el Gobierno Autónomo Municipal de Oruro, institución e ncargada de resolver el problema probablemente con apoyo de la Gobernación del Departamento y del Gobierno Nacional, no cuenta en la actualidad con un proyecto de ingeniería que evalué la factibilidad técnica de dicho túnel para comunicar vialmente las zonas central y sud de la ciudad de Oruro.
Una vez conocido un estudio de factibilidad técnica, el Gobierno Autónomo Municipal de Oruro podría definir con claridad la factibilidad económica del proyecto y los mecanismos operativos y financieros para su implementación.
]]>METODOLOGÍA
Tal como se afirmó anteriormente la idea de un túnel de vialidad que atraviese la serranía denominada “serranía Oruro” para comunicar las zonas central y sud de la ciudad de Oruro tiene su origen en la década de los años 70 del siglo anterior. Desde entonces se han generado varias propuestas relacionadas con los puntos de entrada y salida de este túnel; sin embargo, dos de estas propuestas han sido las más relevantes e inclusive objeto de estudios preliminares.
Ubicación.
El túnel será de dos vías (una de ida y otra de vuelta). Solo para fines descriptivos se denominará punto de entrada al punto extremo del túnel en la zona central y punto de salida al punto extremo del túnel en la zona sud.
La primera propuesta sugiere que el túnel tenga su punto de entrada en el lugar denominado “La Tetilla” ubicado en el extremo oeste de la zona central de la ciudad (Calle Ballivián y Baptista aproximadamente) y el punto de salida en la calle Dehene a la altura de la Calle Jaén en la zona sud de la ciudad.
La segunda propuesta plantea que el eje del túnel correspondiente a la propuesta anterior sea paralelamente desplazado unos 800 metros hacia el este; en otras palabras, el punto de entrada debiera estar en la calle Presidente Montes a la altura de la calle San Felipe y la salida sobre la calle Washington a la altura de la Cantera. La Figura 1 muestra muy claramente ambas propuestas.
Figura 1. Propuestas de entrada y salida del túnel.
]]> Propuesta 1. Entrada - Salida.
Propuesta 2. Entrada - Salida.
La elección de la propuesta más conveniente requiere la definición de algunos criterios de selección. Para el presente caso, se han definido los siguientes:
La Tabla 1 muestra una evaluación de las dos propuestas respecto de los criterios de selección que han sido definidos.
Luego de la evaluación efectuada, la Tabla 2 muestra los criterios de selección definidos y la propuesta que sería preferida para cada criterio.
Nótese que el análisis efectuado recomienda fuertemente elegir la segunda propuesta como la más conveniente para el proyecto.
Geología.
Uno de los aspectos más importantes en el diseño de un túnel se refiere a la estabilidad de las paredes del mismo. La evaluación de la estabilidad exige en conocimiento de la geología de los cerros por donde atravesará el túnel; es necesario conocer la litología de los cerros y obviamente la geología estructural de los mismos.
]]> Los cerros vecinos a la ciudad de Oruro pertenecen al grupo denominado Serranías Interaltiplánicas. Estas montañas presentan alturas importantes están relacionadas con aspectos históricos de culturas anteriores que se asentaron en los alrededores, con la historia de la ciudad desde 1557 y con la historia minera de Bolivia. Estas montañas son de fácil acceso y se pueden realizar paseos a pie o en movilidades pequeñas por una serie de caminos que dejó la actividad minera.Los cerros forman una especie de media luna que rodea la ciudad de Oruro. De norte a sud destacan: San Pedro (4 013 m.s.n.m), Ararankani (3 980 m.s.n.m), Wiscachani (3 885 m.s.n.m), Colorada (3 971 m.s.n.m), Itos (3 980 m.s.n.m), Waka Llusta o Rubiales (3 790 m.s.n.m), Pie de Gallo o San Miguel (3 891 m.s.n.m), San Felipe (4 033 m.s.n.m), de nombre original Tata Kollu, Cerrato (3 833 m.s.n.m), La Tetilla (3 968 m.s.n.m), Luricancho (3 895 m.s.n.m), Santa Bárbara o Wara Wara (3 883 m.s.n.m). Todos estos cerros tienen distinta morfología y coloración.
Tabla 1. Evaluación de propuestas.
Tabla 2. Criterios de selección.
El cerro San Felipe es el más alto de este conjunto de montañas, que precisamente Federico Ahlfeld los denomina para sus estudios geológicos “Cerros de Oruro”. Desde la cima del cerro San Felipe se tiene una vista completa de todos los cerros nombrados, de la ciudad y de parte del panorama geográfico y orográfico del altiplano central. Por ejemplo, desde una vista hacia el este es posible observar las serranías de Lequepalca, más al sud la cordillera de los Azanaques, inclusive se tiene una idea de la cordillera de los Frailes, al fondo noreste estribaciones de la cordillera de Tres Cruces, al occidente una serie de serranías bajas interaltiplánicas, al sud la pampa infinita, el lago Uru Uru; y el gran contexto altiplánico en todas direcciones. Desde la cúspide del Cerro San Felipe es posible apreciar todo lo relativo a trabajos mineros ejecutados en cerca de 400 años. No existe otro punto entre los cerros señalados, del que se pueda dominar la ciudad. La Figura 2 muestra fotografías de algunas montañas de la cadena descrita. El punto de entrada del túnel (zona central) está en los pies del Cerro Santa Bárbara y el punto de salida en la falda sud del Cerro Luricancho (zona sud).
Figura 2. Montañas de la cadena descrita.
]]>
Geológicamente, los “Cerros de Oruro” pertenecen a la formación Uncía (Silúrico) representada por pizarras negras. El terciario se presenta como cuarzo porfirítico, adamelita porfirítica y cuarzo monzonita porfirítica. El área está totalmente cubierta por lava dacítica pliocénica correspondiente a la formación Monococala. Los pórfidos ocurren en stocks y grandes intrusiones los cuales contienen cuarzo, plagioclasas, feldespato alcalino y biotita como fenocristales. Se asume que los stocks intruyeron durante el mioceno, al igual que rocas del área de Oruro, ferro dacitas porfiríticas y riolitas.
La geología y los depósitos minerales del área de Oruro fueron descritos por Campbell (1942), Chave (1948), Torneaure (1960), Ahfeld y Shneider – Scherbina (1964) y Silitoe (1976). De acuerdo con ellos, los “Cerros de Oruro” deben su topografía a la intrusión de rocas ígneas en un basamento sedimentario. Estos cerros presentan tres tipos de rocas ígneas, confirmadas tanto por criterios de campo como por los de laboratorio. La zona norte conformada por los cerros San Pedro, Chancadora y Viscachani; petrográficamente está caracterizada como feno - dacítas y feno – andesitas porfiríticas, conocidas también como riolitas porfiríticas. La zona central y sud corresponden a rocas ígneas cuarzo porfiríticas, en superficie presentan fuerte alteración a arcillas del Grupo caolín y a limonita, dándole tonalidades rojas – marrones blanquecinos; estas rocas están geográficamente representadas por los cerros de La Colorada, San Cristobal, Itos, Mina San José, Pie de Gallo, Santa Rita y Socavón. Finalmente, el tercer tipo de rocas está formado por intrusiones de tipo lávico con fábricas porfiríticas seriadas, estas rocas se ubican en las márgenes este y sur de los cerros Cerrato y Santa Bárbara. En el cerro Cerrato se distingue una brecha ígnea que marca el contacto del pórfido cuarzoso en las lavas.
Es conveniente aclarar que las feno – dacitas y feno – andesitas porfiríticas también son conocidas como riolitas porfiríticas. De igual manera la roca ígnea cuarzo porfirítica o pórfido cuarzoso es además conocida como pórfido riolítico o pórfido latítico cuarzoso o pórfido latítico. Las intrusiones de tipo lavítico o roca periférica al pórfido cuarzoso son denominadas lava cuarzo latítica o pórfido monzonítico cuarzoso o también latita cuarzosa porfirítica.
La Figura 3 muestra un mapa geológico de los “Cerros de Oruro”. Nótese que la zona donde el túnel será perforado está caracterizada como una roca ígnea denominada lava riolítica y riolitas porfiríticas.
Figura 3. Mapa geológico de los “Cerros de Oruro”
Fuente: Informe de proyecto del instituto de geología económica de la UMSA.
Evaluación de la estabilidad de las paredes del túnel.
]]> Desde el punto de vista de la ingeniería, las excavaciones subterráneas tales como los túneles de vialidad pueden ser consideradas como estructuras excavadas en roca continua.El problema de diseñar o evaluar la estabilidad de una estructura excavada en roca requiere el conocimiento del campo de esfuerzos a la altura de la excavación, la concentració n de esfuerzos alrededor de las paredes laterales y el techo de la excavación y las propiedades mecánicas tanto de la roca como del sistema de soporte o fortificación si este es requerido.
Antes de efectuarse la excavación del túnel, los esfuerzos en la roca (campo de esfuerzos) resultan del peso de la roca supra yacente y posibles fuerzas de origen tectónico.
Después de efectuarse la excavación, los esfuerzos en la roca circundante a la excavación dependerán del campo de esfuerzos, la toma de la excavación y las propiedades mecánicas de la roca.
La estabilidad de los esfuerzos de las paredes laterales y el techo del túnel dependerá de la habilidad de la roca y el sistema de soporte para resistir los esfuerzos mencionados.
Para diseñar o evaluar la estabilidad de las paredes laterales y el techo del túnel es necesario elegir una técnica de diseño la misma que dependerá principalmente de las características que presenta el macizo rocoso por donde cruzará el túnel.
Evaluación de la estabilidad de las paredes laterales y el techo del túnel asumiendo que la roca es competente masiva.
Campo de esfuerzos.
Se asume que el campo de esfuerzos tiene los componentes; una componente vertical y una horizontal tal como muestra la figura 4.
Figura 4. Campo de esfuerzos.
]]>
La componente vertical, Sv, refleja el peso de la roca supra yacente y puede ser estimada utilizando la expresión:
Donde:
Para el análisis se tomó la sección para la cual la altura de la roca supra yacente es máxima (progresiva 0+400 del túnel) y el valor máximo estimado para el peso específico; vale decir:
Por tanto,
]]>
Ó
La componente horizontal del campo de esfuerzos, Sh, viene dada por:
La constante M para macizos rocosos donde existen esfuerzos tectónicos y la roca es homogénea y linealmente elástica, viene dada por:
Donde:
Por tanto:
Vale decir:
Esfuerzos generados por la excavación.
Cuando se practica una excavación subterránea en un macizo rocoso, los esfuerzos que existían anteriormente se perturban y se generan nuevos esfuerzos en las inmediaciones de la excavación. La distribución de estos esfuerzos alrededor de la excavación depende del campo de esfuerzos preexistentes y la forma (sección transversal) de la excavación.
Varios prototipos elásticos permiten estimar los esfuerzos inducidos por la excavación; uno de los más importantes es el denominado orificio en un medio elástico infinito que se representa en la figura 5. Se toma un orificio circular debido a que la sección transversal del túnel propuesto es prácticamente circular.
De acuerdo a la teoría de la elasticidad se tiene que:
]]>
Donde:
Figura 5. Orificio en un medio elástico infinito.
Un rápido análisis de las expresiones anteriores permite ver que:
que especifica la distancia a cualquier punto a partir de la pared del orificio.
, 
y 
son sumables o restables, pero de otra manera son independientes.
Una concentración de esfuerzos positiva significa que el esfuerzo generado en un determinado punto tiene el mismo signo que el esfuerzo aplicado. Una concentración negativa significa que el esfuerzo en un punto tiene signo opuesto al del esfuerzo aplicado.
Las máximas concentraciones de esfuerzos reciben el nombre de concentraciones críticas de esfuerzo.
A continuación, se analiza el comportamiento de los esfuerzos inducidos o generados a medida que el punto de interés se aleja de la pared del orificio. Para el caso que nos preocupa 
, vale decir 
; por tanto, las expresiones anteriores vienen dadas por:
y cuando 
Se efectuó el cálculo de las concentraciones de esfuerzos 
, 
y 
para diferentes valores de 
, inicialmente a lo largo del eje X 
y posteriormente a lo largo del eje Y 
. Los valores obtenidos se registran en la Tabla 2. Que se muestra a continuación.
Tabla 2. Concentraciones de esfuerzos.
La Figura 6 que se muestra a continuación ha sido obtenida con los valores de la tabla anterior.
Figura 6. Concentración de esfuerzos.
Este gráfico permita efectuar los siguientes comentarios relacionados con la generación de esfuerzos debido al orificio:
es nula en cualquier punto de la lámina delgada.
es mucho más importante que la concentración de esfuerzos radiales 
. adquiere su valor máximo en la periferie del orificio cuando ; vale decir, en las paredes laterales del orificio; concentración máxima señala que el esfuerzo inducido en las paredes laterales del orificio prácticamente triplica la componente vertical 
del campo de esfuerzos. se desvanece con bastante rapidez con la distancia respecto de la periferie de la excavación; es así que cuando 
la relación entre el esfuerzo inducido 
y el esfuerzo aplicado es prácticamente igual a 1 (uno). Esto significa que a esta distancia (dos veces el radio del orificio) de las paredes del orificio, los esfuerzos en la roca no sienten la influencia del orificio. del campo de esfuerzos). no se generan esfuerzos; al contrario, las concentraciones de esfuerzos son nulas y se incrementan ligeramente a medida que el punto de interés se aleja de la periferie o frontera del orificio. La Figura 7 muestra un detalle de las concentraciones de esfuerzos tangenciales en los puntos del orificio que han sido analizados.Figura 7. Concentraciones de esfuerzos en la Periferie.
En el análisis anterior se ha visto que las concentraciones críticas de esfuerzos se presentan en las paredes de la excavación u orificio. Sin embargo, hasta el momento se conocen solamente los valores de estas concentraciones cuando y . Es importante analizar el comportamiento del esfuerzo tangencial e la periferie del orificio; vale decir, para diferentes valores de 
.
El esfuerzo tangencial 
resulta ser igual a:
El dibujo permite apreciar que en este caso las concentraciones críticas de esfuerzos se presentan en las paredes laterales de la excavación u orificio.
Los esfuerzos inducidos superiores al esfuerzo aplicado abarcan un arco que corresponde a un ángulo radial
igual a 
.
Tabla 3. Concentración de esfuerzos tangenciales en la periferie.
Figura 7. Concentración de esfuerzos en la periferia.
Evaluación de la estabilidad de las paredes del túnel.
Los resultados obtenidos en el análisis anterior pueden utilizarse en la evaluación de la estabilidad del techo y las paredes laterales del túnel proyectado siempre y cuando se cumple lo siguiente:
Para la evaluación de la estabilidad del techo y las paredes laterales del túnel es necesario definir un criterio de fallamiento de las rocas y seleccionar factores de seguridad para compensar las diferencias entre los valores de las propiedades mecánicas de la roca medidas en laboratorio y los valores “in situ”; pero además para compensar los errores cometidos debido a los varios supuestos asumidos durante el proceso de diseño.
Se dice que una excavación subterránea ha fallado cuando no satisface los requerimientos de servicio. Para excavaciones sin soporte estructural, este criterio implica que la roca que forma el techo y las paredes laterales se ha fracturado o deformado más allá de un límite tolerable.
Un criterio de fallamiento que los expertos recomiendan está basado en los esfuerzos máximos; vale decir, se asume que la roca fallará a la tracción cuando los esfuerzos de tracción generados o inducidos por la excavación son mayores a la resistencia de la roca a la tracción. Si los esfuerzos de tracción en la roca son pequeños, se asume que la roca fallará a la compresión si los esfuerzos de compresión originados o inducidos por la excavación son mayores a la resistencia de la roca a la compresión uniaxial.
Cuando se los utiliza con factores de seguridad apropiados, estos criterios de fallamietno pueden expresarse de la manera siguiente; en otras palabras, el techo y las paredes laterales del túnel serán estables si:
Donde:
Los expertos recomiendan utilizar factores de seguridad entre 2 y 4 para esfuerzos de compresión y entre 4 y 8 para esfuerzos de tracción. Recomiendan utilizar los valores altos para excavaciones permanentes y los valores bajos para excavaciones temporales.
En el caso del túnel propuesto se tiene la siguiente información:
.
.En resumen, se tiene los siguientes valores.
Nótese que:
En otras palabras, el esfuerzo crítico de compresión inducido por la excavación es mucho menos a la resistencia de la roca a la compresión uniaxial; a consecuencia el techo y las paredes laterales del túnel SON ESTABLES; vale decir, el túnel NO requiere soporte estructural o fortificación.
CONCLUSIONES
Se recomienda lo siguiente:
REFERENCIAS
Artículo recibido en: 19.09.2023
Artículo aceptado: 25.10.2023
]]>
