En la construcció d'infraestructures, els túnels, com elsponts, permeten salvar els obstaclesnaturals que hi ha en eltraçat de la infraestructura. En termes planers els ponts salven els obstacles passant per sobre i els túnels els salven passant per sota. En tot cas, mentre que els ponts foren emprats ja en les vies que creuaven l'Imperi Romà, la construcció de túnels per a les vies de comunicació (excloent el transport per canals) no comença fins al segle xix, amb les primeres construccions ferroviàries delsEstats Units d'Amèrica i d'Anglaterra.
L'origen dels túnels i de les tècniques de construcció corresponents s'ha de cercar en lamineria, activitat de la qual hi ha proves notables ja en elNeolític, com lesCoves de can Tintorer aGavà (Baix Llobregat). A l'antiguitat, aAssíria,Fenícia iIsrael hi ha alguns exemples de túnels que permetien les comunicacions i afavorien la defensa d'una ciutat assetjada. ElTúnel dels Asmodeus, sota laMesquita de la Roca deJerusalem en seria un exemple. Elsromans ja havien construït nombrosos túnels de petites dimensions associats a lamineria, i al transport d'aigua (els canals tenen un pendent molt reduït i de seguida requereixen túnels iaqüeductes). Un exemple és el túnel construït sota el turó o colina dePosilip per portar a Roma l'Aqua Claudia, que fou usat durant vint segles. Més endavant, l'ús de lapólvora, permeté l'excavació de seccions més importants. Durant els segles XVI, XVII i XVIII es feren molts túnels sobretot per a permetre el transport de béns en canals. En general es tracta de túnels de secció rectangular de més de 50 m². Amb l'aparició delferrocarril, i donat que aquest necessita pendents també molt estrictes, van començar a excavar-se túnels per a aquest nou mitjà de transport al segle xix. El primer túnel de ferrocarril lapenínsula Ibèrica va ser el deMontgat el1848 obert pel traçat de la via deferrocarril de Barcelona a Mataró. Durant el segle xx, es continuen obrint nous túnels per a ferrocarrils, canals (ara ja més lligats a la producció d'energia elèctrica) i finalment per a carreteres.
Dins d'una primera família, els mètodes tradicionals, hi ha els esquemes d'excavació de túnels amb tècniques poc mecanitzades. En terrenys difícils, l'estabilitat del front d'excavació depèn en gran manera de l'àrea d'aquest. Així, a mesura que els túnels van necessitar seccions més grans, van aparèixer els ara anomenats mètodes tradicionals. Tots ells, consisteixen a excavar el túnel mitjançant galeries independents (unes més avançades que d'altres) i eixamplaments d'aquestes que formen en el seu conjunt l'àrea total d'excavació. Cada galeria i eixamplament s'apuntala convenientment per sostenir el terreny provisionalment, de manera que el sosteniment arriba en tot moment fins al front de l'excavació i aquest és sempre estable perquè la seva secció rarament supera els 5 m2. A més, l'apuntalament gairebé instantani de totes les galeries limita de forma satisfactòria les subsidències i assentaments en superfície i redueix considerablement la magnitud dels accidents. L'ordre d'excavació d'aquestes galeries variava, en un principi, de país a país, i així, encara es coneix cada esquema amb el nom del país que el defensava.
Mètode alemany: encara s'usa en l'excavació manual d'estacions de metro.
Mètode austríac: encara s'usa en l'excavació manual d'algunes estacions de metro.
Mètode belga: apte per l'excavació manual de túnels de poca secció.
Mètode de Sant Gotthard: conegut així per usar-se en l'homònim túnel delsAlps, que ha deixat d'usar-se en l'actualitat.
Existeixen una sèrie de mètodes, més mecanitzats, on s'excava amb grans fronts d'excavació. Sovint però, en lloc d'excavar a secció completa, s'avança primerament la secció superior (lacalota) per després excavar més fàcilment la part inferior (ladestroça):
Nou mètode austríac (N.M.A. o N.A.T.M.): s'avança (normalment ambvoladures ofresadora) amb un front ampli sense sostenir i no s'intenta minimitzar la tendència natural del terreny de tancar-se: únicament, es tracta de col·locar només el sosteniment mínim necessari per evitar el col·lapse del túnel, estalviant així bona part dels sosteniments usats en altres mètodes. Es tracta d'una tècnica que funciona prou bé enroques isòls durs sobre elnivell freàtic, però el seu ús és objecte de polèmica, ja que s'han registrat diversos col·lapses (comel del Carmel).
Pretall mecànic: s'excava mecànicament (amb una espècie de serra gegant) la futura clau del túnel, per després injectar-la de formigó i poder excavar a sota. És un mètode que sol anar bé en sòls consistents o roques toves, sobre el nivell freàtic.
Lestuneladores són màquines o estructures que sostenen el front d'excavació permetent avançar a secció completa. Principalment, n'hi ha de dues classes:
Elstalps són tuneladores dissenyades per excavarroques dures o mitjanes, sense masses necessitats de sosteniment.
Elsescuts són tuneladores dissenyades per excavar roques toves osòls, terrenys que necessiten sistemàticament la col·locació d'un sosteniment. N'hi ha que són simples estructures que sostenen el terreny, i n'hi ha que excaven amb el seu cap giratori mentre que col·loquen el sosteniment definitiu en l'interior de l'estructura que fa d'escut.
Els túnels superficials poden excavar-se també des de l'exterior. Principalment, hi ha dos procediments:
Excavació entrinxera: es tracta d'excavar des de l'exterior deixant els pendents necessaris perquè l'excavació sigui estable. Seguidament s'hi col·loca l'estructura que suportarà posteriorment les terres i seguidament es rebleix la cavitat recuperant la rasant prèvia a l'excavació.
Excavació entrepantalles. Per poder excavar amb paraments verticals, primerament s'executen pantalles, que esdevindran els murs laterals del túnel. Seguidament s'excava entre pantalles fins a la cota desitjada, s'executa la solera i la volta del túnel. Després, es rebleix de terres fins a la rasant desitjada.
Els túnels submergits se solen construir mitjançant la unió de segments ja fabricats a l'exterior, que es fondegen i assemblen en l'interior de l'aigua.
És essencial que qualsevol projecte de túnel comenci amb una investigació sobre les condicions del terreny. Els resultats de la investigació ens permetran saber quina és lamaquinària i els mètodes d'excavació i sosteniment a realitzar, i podran reduir els riscos de trobar condicions desconegudes. Als primers estudis, les alineacions horitzontals i verticals seran optimitzades per aprofitar les millors condicions d'aigua i sòl. Per a l'orientació en el traç de túnels, de vegades s'utilitzen elsgiroteodolits, ja que permeten determinar elnord veritable sota terra.
En alguns casos, els estudis convencionals no ens proporcionen prou informació, per exemple, quan hi ha grans masses deroca, discontinuïtats comfalles o estrats de terreny més tou comargiles o llims. Per abordar aquests problemes es pot construir un tub pilot, o un trencall que discorri paral·lel al principal. Aquest tub pot arribar a ser més fàcil de sostenir quan es presentin condicions inesperades i podrà ser incorporat al túnel final. Alternativament, també es poden fer petits pous horitzontals al davant del túnel per conèixer les condicions a l'excavació.
En el cas dels túnels en roca, atesa la variabilitat dels diferents factors que intervenen en la mecànica de roques, és freqüent abordar el seu estudi mitjançant les anomenades classificacions geomecàniques, entre les quals destaca laclassificació geomecànica RMR.
A causa de l'espai tancat d'un túnel, els incendis poden tindre efectes molt greus per als usuaris. Els principals perills són la producció de gas i fum, i fins i tot baixes concentracions de monòxid de carboni són molt tòxiques. Per exemple, a l'incendi del túnel de Sant Gotard del 2001 van morir 11 persones, totes elles per inhalació de fum i gas. Més de 400 passatgers van morir al desastre del tren Balvano a Itàlia el 1944, quan la locomotora es va aturar en un llarg túnel. La intoxicació per monòxid de carboni va ser la principal causa de mort. A l'incendi del túnel de Caldecott del 1982, la majoria de les víctimes mortals van ser causades pel fum tòxic i no pel xoc inicial. De la mateixa manera, 84 persones van morir a l'incendi del metro de París del 1904.
Els túnels per a vehicles de motor solen necessitarpous de ventilació i ventiladors elèctrics per eliminar elsgasos d'escapament tòxics durant el funcionament rutinari.[1]
Els túnels ferroviaris solen requerir menys renovacions d'aire per hora, però poden necessitar ventilació forçada per aire. Tots dos tipus de túnels solen tenir disposicions per augmentar la ventilació en condicions d'emergència, com ara un incendi. Encara que existeix el risc que augmenti la taxa de combustió en augmentar el flux d'aire, l'objectiu principal és proporcionar aire respirable a les persones atrapades al túnel, així com als bombers.
L'ona de pressióaerodinàmica produïda pelstrens d'alta velocitat que entren en un túnel[2] es reflecteix als seus extrems oberts i canvia de signe (unfront d'ona de compressió canvia al capdavant d'ona derarefacció i viceversa); quan dos fronts d'ona del mateix signe es troben al tren, es produeix un augment de pressió atmosfèrica ràpid i significatiu[3] pot causar molèsties auditives[4] a passatgers i tripulació. Quan els trens d'alta velocitat surten dels túnels, es pot produir un fort "boom del túnel", que pot molestar els residents propers a la boca del túnel, i s'agreuja a les valls muntanyenques, on el so pot tenir ressò.
Quan disposeu d'un túnel paral·lel separat, se solen instal·lar portes d'emergència hermètiques però no tancades que permeten al personal atrapat escapar d'un túnel ple de fum al tub paral·lel.[5]
Els túnels més grans i molt utilitzats, com el túnelBig Dig aBoston, Massachusetts, poden tenir uncentre d'operacions dedicat amb personal les 24 hores del dia que supervisa i informa sobre les condicions del trànsit, i respon a les emergències.[6] Sovint s'utilitzen equips de videovigilància, i el públic pot veure imatges en temps real de les condicions del trànsit en algunes autopistes a través d'Internet.
Una base de dades de danys sísmics en estructures subterrànies que utilitza 217 historials de casos mostra que es poden fer les observacions generals següents sobre el comportament sísmic de les estructures subterrànies:
Les estructures subterrànies pateixen molts menys danys que les estructures de superfície.
Els danys notificats disminueixen en augmentar la profunditat de sobrecàrrega. Els túnels profunds semblen ser més segurs i menys vulnerables a les sacsejades sísmiques que els túnels poc profunds.
Cal esperar que les instal·lacions subterrànies construïdes a sòls pateixin més danys que les obertures construïdes en roca competent.
Els túnels revestits i cimentats són més segurs que els túnels sense revestir en roca. Els danys per sacsejades es poden reduir estabilitzant el terreny al voltant del túnel i millorant el contacte entre el revestiment i el terreny circumdant mitjançant la injecció de beurada.
Els túnels són més estables sota una càrrega simètrica, cosa que millora la interacció entre el terreny i el revestiment. La millora del revestiment del túnel mitjançant la col·locació de seccions més gruixudes i rígides sense estabilitzar el terreny circumdant pot donar lloc a un excés de forces sísmiques al revestiment. El farciment amb material no cíclicament mòbil i les mesures d'estabilització de la roca poden millorar la seguretat i estabilitat dels túnels poc profunds.
Els danys poden estar relacionats amb l'acceleració màxima del terreny i la velocitat en funció de la magnitud i la distància epicentral del terratrèmol afectat.
La durada de les sacsejades fortes durant els terratrèmols és molt important perquè pot provocar errors per fatiga i, per tant, grans deformacions.
Els moviments d'alta freqüència poden explicar el desconxament local de la roca o el formigó al llarg dels plans de debilitat. Aquestes freqüències, que s'atenuen ràpidament amb la distància, es poden esperar principalment a petites distàncies de la falla causant.
Els moviments del terreny es poden amplificar en incidir en un túnel si les longituds d'ona estan entre una i quatre vegades el diàmetre del túnel.
Els danys a les boques dels túnels i les seves proximitats poden ser importants a causa de la inestabilitat dels talussos.[7]
Els terratrèmols són una de les amenaces més temibles de la natura. Un terratrèmol de magnitud 6,7 va sacsejar la vall de San Fernando a Los Angeles el 1994. El sisme va causar grans danys en diverses estructures, com ara edificis, passos elevats d'autopistes i sistemes viaris de tota la zona. El Centre Nacional d'Informació Mediambiental calcula que els danys totals van pujar a 40.000 milions de dòlars.[8] Segons un article publicat per Steve Hymon de The Source - Transportation News and Views, el metro de Los Angeles no va patir danys greus. Metro, el propietari del metro de Los Angeles, va emetre un comunicat a través del personal d'enginyeria sobre el disseny i la consideració que entra en un sistema de túnels. Els enginyers i arquitectes duen a terme exhaustives anàlisis sobre la intensitat amb què preveuen que es produeixin els terratrèmols a la zona. Tot plegat forma part del disseny general i la flexibilitat del túnel.
Aquesta mateixa tendència de danys limitats al metro després d'un terratrèmol es pot observar a molts altres llocs. El 1985, un sisme de magnitud 8,1 va sacsejar laCiutat de Mèxic; el sistema de metro no va patir danys i, de fet, va servir de línia de vida per al personal d'emergència i les evacuacions. El 1995, un sisme de magnitud 7,2 va sacsejarKobe (Japó) sense causar danys als túnels. Els portals d'entrada van patir danys menors, però aquests danys es van atribuir a un disseny inadequat per a terratrèmols que es va originar a la data original de construcció, 1965. El 2010, un terratrèmol de magnitud 8,8, massiu en qualsevol escala, va afectar Xile. Les estacions d'entrada als sistemes de metro van patir danys menors i el sistema de metro va estar fora de servei durant la resta del dia. L'endemà a la tarda, el sistema de metro tornava a estar operatiu.[9]
Eltúnel d'Eupalinos, a l'illa deSamos (Grècia), és un dels túnels més antics que es conserven, construït l'any520 aC. Té una longitud de 1.030 metres i es pot visitar.[10]
El túnelMina de Montclar, inaugurat el 1861 per permetre el pas de les aigües del Canal d'Urgell, va ser el túnel més llarg d'Europa durant gairebé un segle amb una longitud de 4917 metres.
Eltúnel de Viella inaugurat el 1948, amb una longitud de 5240 metres, va ser el túnel de carretera més llarg del món fins a l'any 1964, en què s'inaugurà elGran San Bernat a Suïssa.
Eltúnel de Seikan, alJapó, és el túnel no hidràulic més llarg del món, amb 53,9 km, alguns dels quals sota el mar.
↑Kim, Joon-Hyung; Rho, Joo-Hyun «Características de la onda de presión de un tren de alta velocidad en un túnel según las condiciones de funcionamiento» (en castellà). Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 01-03-2018.DOI:10.1177/0954409717702015.ISSN:0954-4097.
↑Niu, Jiqiang; Zhou, Dan; Liu, Feng; Yuan, Yanping «Efecto de la longitud del tren en la fluctuación de la onda de presión aerodinámica fluctuante en túneles y método para determinar la amplitud de la onda de presión en trenes». Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 80, 01-10-2018, pàg. 277-289.Bibcode:277N 2018TUSTI..80.. 277N.DOI:10.1016/j.tust.2018.07.031.ISSN:7798 0886- 7798.
↑Xie, Pengpeng; Peng, Yong; Wang, Tiantian; Zhang, Honghao «Riesgos de las molestias auditivas de pasajeros y conductores mientras los trenes atraviesan túneles a alta velocidad: Una simulación numérica y un estudio experimental». International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 16, 7, 4-2019, pàg. 1283.DOI:10.3390/ijerph16071283.ISSN:1661-7827.PMC:6480231.PMID:30974822.
↑Fridolf, K.; Ronchi, E.; Nilsson, D.; Frantzich, H. «Velocidad de desplazamiento y elección de salida en túneles ferroviarios llenos de humo». Fire Safety Journal, vol. 59, 2013, pàg. 8-21.DOI:10.1016/j.firesaf.2013.03.007.
.jpg)
