El anillo de dovelas de un túnel ejecutado con TBM se diseña verificando que el revestimiento prefabricado de hormigón armado soporta las acciones del terreno, agua, empuje de la tuneladora, inyecciones, manipulación, transporte, montaje, servicio y posibles situaciones accidentales. El diseño estructural define geometría del anillo, espesor, número de dovelas, clase de hormigón, armado, juntas, bulones, conectores, tolerancias, estanqueidad, durabilidad y sistema de montaje.
En proyectos de túnel de dovelas, la dovela no se diseña solo para la fase final de servicio. También debe resistir fases temporales muy exigentes: desmoldeo, acopio, transporte, izado, empuje de gatos, paso de back-up, inyección de trasdós y entrada en carga progresiva del terreno.
Qué es un anillo de dovelas en un túnel TBM
Un anillo de dovelas es el revestimiento estructural que se monta dentro del escudo de la tuneladora mediante piezas prefabricadas de hormigón, normalmente con juntas longitudinales y circunferenciales. Cada anillo trabaja como una estructura comprimida y segmentada, sometida a cargas externas, deformaciones del terreno, presión de agua y esfuerzos de montaje.
| Elemento | Función |
|---|---|
| Dovelas | Piezas prefabricadas que forman el anillo |
| Dovela clave | Cierra el anillo y permite completar el montaje |
| Juntas longitudinales | Separan dovelas dentro del mismo anillo |
| Juntas circunferenciales | Separan anillos consecutivos |
| Bulones o conectores | Ayudan al posicionamiento y transmisión de esfuerzos |
| Junta de estanqueidad | Evita entrada de agua por las uniones |
| Armadura | Resiste tracción, flexión, fisuración y esfuerzos locales |
| Inyección de trasdós | Rellena el hueco entre excavación y anillo |
Acciones que debe resistir el anillo
El diseño estructural considera acciones permanentes, variables, temporales y accidentales.
| Acción | Fase en la que aparece | Riesgo si no se verifica |
|---|---|---|
| Presión de terreno | Servicio y consolidación del entorno | Deformación, fisuración o pérdida de capacidad |
| Presión hidrostática | Servicio y fase de avance | Filtraciones, carga externa y empujes no simétricos |
| Empuje de gatos de TBM | Construcción | Daños locales, aplastamiento o fisuras |
| Inyección de trasdós | Construcción | Sobrepresión, deformación o apertura de juntas |
| Cargas de manipulación | Fabricación y transporte | Fisuras, daños de borde o roturas |
| Cargas de montaje | Colocación dentro del escudo | Desconchones, contacto irregular o daños en junta |
| Asientos diferenciales | Servicio | Ovalización o redistribución de esfuerzos |
| Cargas sísmicas si aplican | Situación accidental | Deformación, apertura de juntas o pérdida de estanqueidad |
| Ambiente agresivo | Vida útil | Corrosión de armaduras o pérdida de durabilidad |
Geometría del anillo
La geometría se define a partir del diámetro interior útil, diámetro exterior excavado, gálibo, tolerancias, espesor estructural, curvatura del trazado y espacio para juntas.
Se determinan:
- Diámetro interior.
- Diámetro exterior.
- Espesor de dovela.
- Anchura del anillo.
- Número de dovelas por anillo.
- Ángulo de cada dovela.
- Tipo de dovela clave.
- Conicidad del anillo, si el trazado tiene curvas.
- Tolerancias de montaje.
- Espacio para junta de estanqueidad.
- Compatibilidad con erector de dovelas.
- Holgura respecto al escudo de la TBM.
La geometría debe permitir que el anillo se monte con seguridad, mantenga la estanqueidad y se adapte al trazado sin generar concentraciones de tensión.
Modelo estructural de cálculo
El anillo se puede analizar con distintos niveles de detalle según diámetro, profundidad, terreno, presión de agua y criticidad del proyecto.
Los modelos habituales consideran:
- Anillo continuo equivalente.
- Anillo segmentado con juntas.
- Interacción terreno-estructura.
- Rigidez reducida por articulación de juntas.
- Carga vertical y horizontal del terreno.
- Presión hidrostática.
- Reacción del terreno.
- Fases de construcción.
- Efectos tridimensionales en zonas singulares.
- Cargas locales de gatos y apoyos.
- Condiciones de curvatura.
Para túneles complejos, el modelo puede incorporar comportamiento no lineal de juntas, rigidez del terreno, fases de excavación, presión de frente, inyección de trasdós y secuencia real de montaje.
Verificación estructural de las dovelas
Cada dovela se comprueba frente a estados límite resistentes y de servicio.
Resistencia a flexión y compresión
La dovela debe resistir momentos flectores, esfuerzos axiles y combinaciones derivadas de cargas de terreno, agua, montaje y servicio.
Cortante y esfuerzos locales
Se verifican zonas próximas a juntas, apoyos, puntos de izado, empuje de gatos, alojamiento de conectores y bordes.
Fisuración
El diseño debe limitar la abertura de fisuras para proteger armaduras, garantizar durabilidad y mantener prestaciones en ambientes con humedad, cloruros, sulfatos o aguas agresivas.
Deformación y ovalización
El anillo debe mantener deformaciones compatibles con gálibo, estanqueidad, juntas, equipos interiores y funcionamiento hidráulico o ferroviario, según el uso del túnel.
Punzonamiento o aplastamiento local
Las cargas concentradas de gatos de empuje, elementos de montaje o conectores pueden generar esfuerzos locales que requieren armado específico o placas de reparto.
Diseño de juntas entre dovelas
Las juntas son una parte crítica del anillo porque condicionan rigidez, estanqueidad, transmisión de esfuerzos y tolerancias de montaje.
Se estudian:
- Geometría de contacto.
- Capacidad de compresión.
- Apertura admisible.
- Giro admisible.
- Cizallamiento.
- Transmisión de esfuerzos entre dovelas.
- Contacto parcial o excentricidad.
- Riesgo de desconchones.
- Sistema de bulones o conectores.
- Alojamiento de junta elastomérica.
- Tolerancias de fabricación y montaje.
- Compatibilidad con presión de agua.
La junta debe equilibrar tres objetivos: permitir montaje, transmitir esfuerzos y mantener estanqueidad durante la vida útil.
Estanqueidad y presión de agua
En túneles bajo nivel freático o con presión exterior, la estanqueidad se diseña mediante juntas elastoméricas y control de tolerancias.
Se verifica:
- Presión máxima de agua.
- Compresión mínima de la junta.
- Alojamiento de la junta.
- Compatibilidad con giros y desplazamientos.
- Posición de juntas longitudinales y circunferenciales.
- Riesgo de daños durante montaje.
- Limpieza de superficies.
- Ensayos de estanqueidad si aplican.
- Durabilidad del material elastomérico.
La estanqueidad depende tanto del diseño como de la fabricación, almacenamiento, montaje e inspección de cada dovela.
Armado de dovelas
El armado se diseña para resistir esfuerzos globales y locales. Debe tener en cuenta fases temporales y no solo servicio.
Se consideran:
- Armadura principal.
- Armadura transversal.
- Refuerzos en bordes.
- Refuerzos en puntos de izado.
- Refuerzos en zonas de gatos.
- Refuerzos alrededor de conectores.
- Control de fisuración.
- Recubrimiento nominal.
- Durabilidad.
- Congestión de acero.
- Compatibilidad con moldes.
- Tolerancias de fabricación.
- Posibilidad de fibras estructurales si el proyecto lo permite.
En algunos diseños se combinan armaduras convencionales con fibras para mejorar control de fisuración, resistencia residual o comportamiento frente a impactos y manipulación.
Fases constructivas que condicionan el diseño
El anillo debe resistir varias fases antes de llegar a su condición final.
Fabricación
Se controlan hormigón, curado, desmoldeo, tolerancias, acabados, posición de armaduras, insertos, juntas y reparación de defectos.
Transporte y acopio
Las dovelas pueden fisurarse o dañarse si los apoyos no coinciden con los puntos previstos. El diseño debe contemplar cargas de manipulación.
Montaje dentro de la TBM
Durante el montaje, la dovela puede recibir contactos localizados, giros, ajustes y empujes del erector.
Empuje de la tuneladora
Los gatos de la TBM apoyan sobre el anillo montado. Esta fase genera cargas concentradas que deben estar previstas en la geometría y el armado.
Inyección de trasdós
La presión de inyección debe rellenar el hueco anular sin deformar excesivamente el anillo ni abrir juntas.
Servicio
Una vez estabilizado el terreno, el anillo trabaja frente a cargas permanentes, presión de agua, agresividad ambiental y solicitaciones propias del uso del túnel.
Durabilidad del anillo de dovelas
La durabilidad depende del ambiente, vida útil, recubrimiento, calidad del hormigón, permeabilidad, fisuración, juntas y exposición a agentes agresivos.
Se revisan:
- Clase de exposición.
- Presencia de agua subterránea.
- Cloruros.
- Sulfatos.
- CO₂.
- Temperatura.
- Ataque químico.
- Abrasión interior si hay flujo.
- Recubrimiento de armaduras.
- Relación agua/cemento.
- Resistencia y permeabilidad del hormigón.
- Control de fisuras.
- Compatibilidad de juntas y sellos.
En conducciones hidráulicas, colectores o túneles en ambientes agresivos, la durabilidad puede ser tan determinante como la resistencia mecánica.
Control de calidad en fabricación y montaje
El diseño debe acompañarse de un plan de control que asegure que las dovelas reales cumplen la geometría y prestaciones calculadas.
Se controla:
- Materiales.
- Dosificación y resistencia del hormigón.
- Curado.
- Dimensiones y tolerancias.
- Posición de armaduras e insertos.
- Estado de juntas de estanqueidad.
- Acabado de bordes.
- Fisuras y desconchones.
- Ensayos de carga si aplican.
- Identificación de piezas.
- Secuencia de montaje.
- Par de apriete o bloqueo de conectores.
- Registros de empuje de TBM.
- Presión de inyección de trasdós.
- Inspección de filtraciones.
El seguimiento de montaje permite detectar desviaciones, daños de borde, juntas mal asentadas o empujes superiores a los previstos.
Riesgos de un diseño insuficiente
Un anillo de dovelas mal diseñado o mal controlado puede provocar:
- Fisuración excesiva.
- Desconchones en bordes.
- Filtraciones.
- Deformación u ovalización.
- Apertura de juntas.
- Daños por gatos de empuje.
- Pérdida de tolerancias.
- Dificultades de montaje.
- Corrosión de armaduras.
- Fallos de estanqueidad.
- Sobrecostes de reparación.
- Reducción de vida útil.
- Riesgos durante operación del túnel.
Estos riesgos suelen aparecer por interacción de factores: geotecnia, presión de agua, juntas, tolerancias, empujes de TBM, inyección y control de fabricación.
Información necesaria para estudiar el proyecto
Para diseñar estructuralmente un anillo de dovelas para túnel TBM conviene aportar: diámetro interior, diámetro exterior, longitud del túnel, uso previsto, trazado en planta y perfil, radios de curvatura, profundidad, cobertura, geotecnia, presión de agua, nivel freático, cargas externas, sismicidad si aplica, tipo de TBM, empuje máximo de gatos, distribución de gatos, presión de frente, presión de inyección de trasdós, tolerancias, número de dovelas por anillo, anchura de anillo, vida útil, clase de exposición, agresividad del agua o terreno, criterios de estanqueidad, tipo de junta, conectores, procedimiento de montaje, logística de dovelas, condiciones de fabricación, transporte, acopio, criterios de fisuración, normativa aplicable y requisitos de inspección.
CTA: Solicite una revisión técnica de diseño estructural de anillos de dovelas para túneles TBM antes de cerrar diámetro, espesor, junta, armado, estanqueidad, TBM o documentación de RFQ.
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