Construcción de un modelo físico para el estudio experimental de

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CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO FÍSICO PARA EL ESTUDIO 
EXPERIMENTAL DE LOS EFECTOS EN SUPERFICIE DEL AVANCE DE 
TÚNELES CON UNA TUNELADORA TBM-EPB EN SUELOS BLANDOS 
 
 
 
 
 
 
DIEGO ARMANDO GONZÁLEZ VERNAZA 
JORGE BERCID LOMBANA RINCÓN 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LA SALLE 
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL 
BOGOTÁ D.C. 
2009 
 
CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO FÍSICO PARA EL ESTUDIO 
EXPERIMENTAL DE LOS EFECTOS EN SUPERFICIE DEL AVANCE DE 
TÚNELES CON UNA TUNELADORA TBM-EPB EN SUELOS BLANDOS 
 
 
DIEGO ARMANDO GONZALEZ VERNAZA 
JORGE BERCID LOMBANA RINCÓN 
 
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de 
Ingenieros Civiles 
 
Director temático: 
Ph.D. Camilo Torres Prada 
Asesora metodológica: 
Mag. Marlén Cubillos 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LA SALLE 
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVÍL 
BOGOTÁ D.C. 
2009 
 
 
Nota de aceptación 
_______________________________________ 
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________________________________ 
 Firma del presidente de jurado 
 
 
 
________________________________ 
 Firma del jurado 
 
 
 
________________________________ 
 Firma de jurado 
 
 
 
 
 
 
 
Bogotá D.C. 03 de Noviembre de 2009 
 
DEDICATORIA 
 
 
Este proyecto y toda mi carrera universitaria se lo dedico a Dios por ser aquel que 
en todo momento me brindó las fuerzas necesarias para continuar luchando día 
tras día ante todas las adversidades que encontré y seguir adelante cada vez que 
lo dudé en hacer. 
 
Le agradezco a mi madre Teresa Vernaza y mi padre Armando González a 
quienes les debo todo lo que soy, sí, son a ellos a quien les debo toda esa 
enseñanza que en más de dos décadas me han formado en una persona integra 
con muchos valores para aportar en esta sociedad. Doy gracias a mis queridos 
hermanos Martha González y Daniel González mis hermanitos del alma gracias 
porque con ustedes he compartido muchas experiencias en el rol del hogar y 
estudiantil. 
 
También les agradezco a mis amigos más cercanos, a esos amigos que siempre 
me han acompañado y con los cuales he contado desde que los conocí. María 
Biojó mi mejor amiga y pareja, has sido mi consuelo y mejor confidente desde que 
la conocí, gracias por cuatro años de completa alegría y triunfos gracias por todo. 
También agradezco a todo el profesorado de la facultad de ingeniería civil de la 
Universidad que me han apoyado una y otra. Gracias. 
 
DIEGO ARMANDO GONZÁLEZ VERNAZA 
DEDICATORIA 
 
 
Quiero agradecerle a Dios a la Virgen María y al Niño Jesús por que me 
acompañaron y protegieron cada día me dieron fuerzas necesarias para realizar y 
terminar esta carrera. Le agradezco a mis padres Jorge Eliecer Lombana y 
Nieves Rincón toda mi vida por las enseñanzas que me dieron, mis principios, 
valores y Fe que me inculcaron para afrontar con responsabilidad mi estudio y 
trabajo, hicieron parte de mi formación como persona siempre sentí su apoyo 
incondicional tanto emocional como económico. A mi hermano Edwin Lombana 
con quien he compartido toda mi vida, el fue mi animador y consejero para que yo 
estudiará esta carrera, mi triunfo es suyo.También a una mujer que me 
acompañado y a regalado mis dos tesoros y hermosos hijos Magnolia Rojas para 
ella muy especial esta conquista y lo más especial a Mateo Y Thomas los niños 
más Juiciosos los quiero mucho. 
 
A mi familia tíos y tías a Kelly Fernanda mi hermana que siempre esta con mis 
padres acompañándolos a mis primos Carlos, Duvan Ballesteros A Gisela 
Hernández a mis amigos Javier, Freddy a Mi compañero de Tesis Diego a los 
profesores de ingeniería que hicieron parte de mi formación. Quiero agradecerle a 
la Universidad de La Sallé que me abrió las puertas para hacer de mí un lasallista 
más, al municipio de Orocué a sus administradores Monchy, Freddy y Reinaldo 
Guio. 
JORGE BERCID LOMBANA RINCÓN 
 
CONTENIDO 
 Pág. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
1. EL PROBLEMA 18 
1.1 LÍNEA 18 
1.2 TÍTULO 18 
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 18 
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 20 
1.5 JUSTIFICACIÓN 20 
1.6 OBJETIVOS 21 
1.6.1 Objetivo general 21 
1.6.2 Objetivos específicos 21 
2. MARCO REFERENCIAL 22 
2.1 TEÓRICO CONCEPTUAL 22 
2.1.1 MODELACIÓN FÍSICA 22 
2.2 MARCO NORMATIVO 24 
2.3 LOCALIZACIÓN 24 
3. DISEÑO METODOLÓGICO PRELIMINAR 25 
3.1 PRELIMINARES 25 
3.1.1 PROCESO EXPERIMENTAL 26 
3.1.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS 26 
3.2 OBJETO DE ESTUDIO28 
3.3 INSTRUMENTOS 28 
3.4 HIPÓTESIS 28 
3.5 COSTOS 28 
4. TRABAJO INGENIERIL 29 
4.1 DESARROLLO 29 
4.2 MONTAJE DE PERFILERÍA 29 
4.3 MONTAJE DE ACRÍLICOS 33 
4.4 PINTURA DE PERFILES 36 
4.5 ANDAMIAJE 39 
4.6 MATERIALES DEL SUELO MODELADO 40 
4.7 PRODUCCIÓN DE LA MEZCLA HOMOGÉNEA 44 
4.8 LLENADO Y MANEJO DEL MATERIAL HOMOGÉNEO 46 
DENTRO DE LA PARED DE PRUEBAS 
4.9 COMPACTACIÓN DE MATERIAL HOMOGÉNEO DENTRO 50 
DE LA PARED DE PRUEBAS 
4.10 ENSAYOS DE DENSIDAD DEL MATERIAL HOMOGÉNEO 53 
DENTRO DE LA PARED DE PRUEBAS 
4.11 INSTRUMENTOS DE MEDIDA EN LA PARED DE PRUEBAS 56 
4.12 PLATAFORMA DE TBM Y FRENTE DE EXCAVACION 60 
4.13 PRUEBA EXPERIMENTAL 62 
4.14 CUANTÍAS DE TRABAJO 64 
4.15 ENSAYO DE TRIAXIAL 68 
5. CONCLUSIONES 70 
6. RECOMENDACIONES 72 
BIBLIOGRAFÍA 75 
ANEXOS 77 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABLAS 
 Pág. 
Tabla 1. Datos de ensayo de densidad en el suelo modelado 55 
Tabla 2. Trabajo horas/hombre 67 
Tabla 3. Resultados finales de ensayo triaxial 69 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Pág. 
 
FIGURA 1. Diagrama metodológico de la construcción del modelo físico 27 
FIGURA 2. Estructura base pared de pruebas 29 
FIGURA 3. Corte y alistamiento de perfiles C 30 
FIGURA 4. Perfilaría C sobre piso de pared de pruebas 30 
FIGURA 5. Postura de perfiles C verticalmente 31 
FIGURA 6. Perfiles C Standard de 3 pulgadas 31 
FIGURA 7.Unión perfil C con pernos de 3/8 de pulgada a aleta 
 triangular soldada 32 
FIGURA 8. Ubicación perfiles C horizontalmente 33 
FIGURA 9. Lamina de acrílico cortada circularmente en la mitad 34 
FIGURA 10. Láminas de acrílico previamente perforadas 34 
FIGURA 11. Posición final de lámina de acrílico en la pared de pruebas 35 
FIGURA 12. Acople de láminas de triplex 36 
FIGURA 13. Materiales de acabados 37 
FIGURA 14. Suministro de pentóxido a perfilería C Standard 37 
FIGURA 15. Perfilería en proceso de acabado 38 
FIGURA 16. Toque final de acabado en perfilería 38 
FIGURA 17. Manila para andamiaje 39 
FIGURA 18. Andamio dentro de la pared de pruebas 39 
FIGURA 19. Utilización de andamiaje en el proceso constructivo 40 
FIGURA 20. Arena Sikadur 41 
FIGURA 21. Extracción de arena depositada en tolva 41 
FIGURA 22. Sacos de bentonita (50kg) 42 
FIGURA 23. Tolva al interior de GeoLab y barril de aceite 42 
FIGURA 24. Trompo utilizado en la preparación del material 
homogéneo 43 
FIGURA 25. Material homogéneo 43 
FIGURA 26. Vaciado de material homogéneo 44 
FIGURA 27. Proceso de pesaje del material 45 
FIGURA 28. Aceite Shell Omala 46 
FIGURA 29. Nivel cero de la construcción del suelo 47 
FIGURA 30. Arena sikadur dentro del modelo 48 
FIGURA 31. Guía de nivelación de capas 48 
FIGURA 32. Entrada y salida a la pared de pruebas 49 
FIGURA 33. Pared de pruebas en GeoLab 49 
FIGURA 34. Operarios del proyecto 50 
FIGURA 35. Compactación del material homogéneo dentro 
de la pared de pruebas 51 
FIGURA 36. Proceso constructivo del modelo físico 51 
FIGURA 37. Pared de pruebas 52 
FIGURA 38. Determinación de densidad en el suelo homogéneo54 
FIGURA 39. Densímetro nuclear 54 
FIGURA 40. Densímetro nuclear 56 
FIGURA 41. Celdas de presión en el modelo físico 56 
FIGURA 42. Ubicación y ajuste de celdas de presión 57 
FIGURA 43. Cuadricula sobre superficie del suelo blando 58 
FIGURA 44. Instrumentos de medida 59 
FIGURA 45. Maderos en el suelo homogéneo (color rojo) 60 
FIGURA 46. Plataforma de TBM en frente de excavación 61 
FIGURA 47. Pared de pruebas 61 
FIGURA 48. Sistema mecánico de perforación 62 
FIGURA 49. Limpieza de aspiradora 63 
FIGURA 50. Bombillo de pila 63 
 
 
 
 
 
LISTA DE ANEXOS 
 
 
 
 
ANEXO A. Formato utilizado en el ensayo de compresión triaxial 
ANEXO B. Costos de la investigación 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
La Asociación Internacional de Túneles (ITA), es el organismo de mayor fomento 
en el uso del subsuelo en beneficio de la planificación y desarrollo de la 
construcción de obras subterráneas, promoviendo a la vez la aplicación de nuevos 
avances tecnológicos en el mantenimiento y seguridad de estas estructuras. 
Actualmente la investigación científica y tecnológica entre institutos, universidades 
y empresas, buscan prever los innumerables problemas de seguridad que se 
presentan en este ámbito de la ingeniería. Lo anterior ha conllevado a que el 
gremio de la ingeniería civil y de hecho los grupos de investigación como es el 
caso del grupo CIROC (Centro de Investigación de Riesgos en Obras Civiles), en 
su línea “excavaciones y estructuras de sostenimiento” estudien los fenómenos 
geotécnicos que se presentan en la construcción de obras subterráneas. En este 
orden de ideas el grupo CIROC busca implementar la modelación física como 
punto de partida para estudiar la descripción del movimiento descendente de la 
superficie del suelo (subsidencia) producido por el avance de tuneladoras tipo 
TBM-EPB en suelos blandos y de esta manera reforzar los procedimientos del 
cálculo y diseño del sistema estructural de los túneles. 
 
 
La modelación física dentro del contexto geotécnico proporciona un gran soporte a 
la propuesta investigativa a desarrollar, permitiendo simular a escala el 
comportamiento del subsuelo sometido al avance constante de una tuneladora tipo 
TBM-EPB (Tunnelling Boring Machine - Earth Presion Ballance) bajo condiciones 
controladas. 
 
El proceso de modelación física del fenómeno de subsidencia en laboratorio 
requiere de procesos constructivos precisos que representen la mayor 
confiabilidad en los resultados obtenidos, hecho que exige desarrollar actividades 
mecánicas de todo tipo con la utilización adecuada de la herramienta 
suministrada, siguiendo las respectivas normas de seguridad y poniendo en 
práctica el conocimiento o asesoría técnica en cada una de las etapas de 
modelación. En los modelos físicos de fenómenos geotécnicos se requiere de 
paredes de prueba con propiedades estructurales que garanticen condiciones de 
estabilidad y seguridad del suelo. 
 
Es importante reconocer que el grupo CIROC proporciona permanentemente el 
material de trabajo y personal técnico para el desarrollo de las actividades 
descritas en la programación. 
 
 
18 
 
 
1. EL PROBLEMA 
 
 
 
1.1 LÍNEA 
El trabajo de grado que se desarrolló corresponde a la línea de investigación: 
“Excavaciones y estructuras de sostenimiento”, línea perteneciente al Centro de 
Investigaciones en Riesgos de Obras Civiles – CIROC; en el proyecto TORRES, 
Camilo. NIETO, Fernando."Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado 
por la construcción de microtúneles en suelos blandos”. Estableciendo dentro de 
sus objetivos el contribuir al desarrollo nacional con el estudio y análisis de 
fenómenos geotécnicos y nueva tecnología desarrollados en el laboratorio de 
procesos geotécnicos del grupo CIROC. 
 
1.2 TÍTULO 
Construcción de un modelo físico para el estudio experimental de los efectos en 
superficie del avance de túneles con una tuneladora TBM-EPB en suelos blandos. 
 
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 
El control de calidad y la seguridad que se pueden ofrecer en la construcción de 
un túnel, son factores que deben ser estudiados detalladamente por los ingenieros 
diseñadores en la búsqueda del buen funcionamiento de este tipo de estructuras 
subterráneas a lo largo de su vida útil. 
 
19 
 
Esto ha creado la necesidad de construir sistemas a escala reducida que permitan 
estudiar y analizar fenómenos geotécnicos, como los efectos en superficie del 
avance de túneles con una tuneladora TBM-EPB en suelos blandos, tomando 
información de la modelación regida por el concepto del método de materiales 
equivalentes y permitiendo un acercamiento con las condiciones reales de la obra. 
Se incurrió en el hecho de tomar los materiales individuales del suelo modelado y 
observar ¿Qué metodología constructiva permitiría recrear un escenario propio 
para el estudio de efectos en superficie por el avance de túneles con una 
tuneladora TBM-EPB en suelos blandos? Preguntándose ¿Qué tanto se puede 
simular en la construcción de un túnel a escala reducida?. 
 
Entre los antecedentes existentes sobre la modelación física de fenómenos 
geotécnicos se encuentran una variedad de trabajos de grado, tales como: 
Sarmiento y Vidal, titulada “Caracterización geomecánica de mezclas de suelos 
para modelos físicos por el método de materiales equivalentes”, investigación que 
tuvo como objeto la búsqueda de los materiales equivalentes de la mezcla 
homogénea del modelo físico. El trabajo mencionado se encuentra dentro del 
tema de investigación “Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la 
construcción de micro-túneles en suelos blandos”. 
 
 
 
20 
 
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 
 
¿Cuál es la metodología a seguir en el proceso constructivo de un modelo físico a 
escala reducida para el estudio de los efectos en superficie del avance de túneles 
con una tuneladora TBM-EPB en suelos blandos?. 
 
1.5 JUSTIFICACIÓN 
 
Por medio del presente trabajo de grado se realizó la construcción de un modelo 
físico que simuló a escala reducida el avance de túneles con una tuneladora TBM-
EPB. Este proyecto contribuyó a la construcción de un modelo físico a escala 
reducida que permitió estudiar a fondo el fenómeno de subsidencia, involucrando 
cada una de las variables presentes en la excavación y construcción de túneles en 
suelos inconsistentes, para así analizar los cambios generados (deformaciones) 
significativos en las dimensiones de tiempo y espacio. 
 
En el desarrollo de este trabajo de grado se consideraron todos los parámetros 
propuestos por las diferentes investigaciones ya realizadas, dentro del proyecto 
de investigación de TORRES, Camilo. NIETO, Fernando."Evaluación del 
fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro túneles en 
suelos blandos”. 
 
 
 
 
21 
 
1.6 OBJETIVOS 
 
 
1.6.1 Objetivo General 
 
 Construir un modelo físico a escala 1:10 del micro-túnel del interceptor Fucha – 
Tunjuelo, por el método de materiales equivalentes en la pared de pruebas del 
laboratorio de procesos geotécnicos del Grupo CIROC. 
 
1.6.2 Objetivos EspecíficosDeterminar las cuantías de trabajo para la construcción de un modelo físico a 
escala reducida. 
 
 Instalar la nueva instrumentación de medida de alta precisión adquirida para los 
modelos construidos dentro de la pared de pruebas del laboratorio de procesos 
geotécnicos del Grupo CIROC. 
 
 Ajustar los procesos y guías de laboratorio para la construcción de modelos 
físicos en la pared de pruebas. 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
2. MARCO REFERENCIAL 
 
2.1 MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL 
La temática relacionada a continuación representa el fundamento para 
contextualizar y llevar a cabo la investigación: 
 
Modelación física 
Los modelos físicos son muy utilizados en las investigaciones de tipo 
experimental, pues permiten en muchas oportunidades el simplificar la realidad 
desde un sistema originado y recreado por la pericia de los investigadores 
logrando localizar los niveles de simplificación y reconocer factores incidentes en 
el modelo para proveer el después que se verá reflejado en el análisis de 
resultados. La ingeniería civil proporciona las herramientas para tratar los modelos 
y encontrar las soluciones reales a los problemas, sin limitarse únicamente a 
observar y por el contrario identificar las claves y elementos que se deben poseer 
para la constitución del modelo. En los modelos se pueden reproducir 
innumerables situaciones del mundo real, lo anterior en pro del estudio del 
comportamiento de un fenómeno y el efecto que tienen estos sobres la estructura. 
 
Un modelo debe ser en lo posible lo más cercano a la realidad, es decir idealizar 
las condiciones reales existentes. Agregando un factor de suma importancia en el 
proceso de modelación “la escala”, en este caso reducida y aplicada con 
23 
 
materiales con los que se busca simular un comportamiento de simulación 
parecido al real. 
La modelación se puede aplicar en 3 espacios diferentes; matemáticos, físicos y 
funcionales. Siendo el apoyo central de este trabajo la modelación física, 
sostenida en sus leyes fundamentales dirigidas a las dimensiones de longitud, 
masa y tiempo, permitiendo evaluar el comportamiento de la estructura desde 
cualquier punto de vista. 
 
La modelación física es regida por un plan de programación, en donde se deben 
identificar las constantes y variables que intervienen en el fenómeno analizado 
para optimizar eficazmente la extrapolación en el modelo con cada uno de los 
elementos asignados al proceso. 
 
Un modelo físico es una herramienta básica para comprender los procesos 
geotécnicos de un suelo. Aun así mirando de una manera más general, puede 
decirse que todo experimento ha pasado por ser primero un modelo del que se 
pueden extraer muy buenas deducciones aplicando en forma la observación y 
reflexión práctica. Además son utilizados para validar teórica y empíricamente una 
hipótesis, teniendo como objetivo central, el recrear un ambiente real observando 
las posibles falencias y desventajas con respecto al modelo en escala real. 
 
 
24 
 
2.2 MARCO NORMATIVO 
 FAJARDO, Edgar. BEDOYA, Julio. Guía de procedimientos para la 
elaboración de modelos físicos del laboratorio GEO-LAB del grupo de 
investigación “CIROC”. Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería Civil. 
Bogotá. 
 
2.3 LOCALIZACIÓN 
El desarrollo del trabajo de grado se llevará a cabo dentro de las instalaciones del 
Laboratorio de Modelación de Procesos Geotécnicos (GeoLab), ubicado en la 
sede centro de La Universidad de La Salle, en una edificación de una sola planta, 
con acceso controlado e independiente y con un área total de 100 m2, dividida en 
dos zonas: la primera de 70 m2 destinada a trabajos de modelación física y la 
segunda de 30 m2 apta para la ubicación de la sala de sistemas especializada 
para la simulación en software. 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
 
3. DISEÑO METODOLÓGICO PRELIMINAR 
 
El trabajo de grado a realizar se clasifica como una investigación experimental 
según Sabino “Una prueba experimental selecciona un objeto de estudio para 
someterlo a distintas consideraciones, en condiciones de trabajo controladas con 
previo conocimiento por parte de los investigadores, para poder observar y 
analizar los resultados presentes en el objeto investigado.”1 En el desarrollo del 
trabajo de tesis se consideraran tres fases metodológicas: 
 
3.1 PRELIMINARES 
En esta etapa se instaló el modelo completo de la pared de pruebas con su 
respectivo aislamiento y puestos en sitio cada uno de los materiales e 
instrumentos de medición contemplados para estudiar el comportamiento del 
suelo artificial mezclado y compactado respectivamente. Se construyó e instaló el 
modelo de la TBM junto con los elementos de sostenimiento del túnel, permitiendo 
el estudio del efecto en superficie del avance de micro túneles TBM-EPB en 
suelos blandos. 
 
 
 
___________________ 
1
SABINO, Carlos. El proceso de investigación. Buenos Aires: 1978. p 99-100. 
26 
 
3.1.1 PROCESO EXPERIMENTAL 
En esta etapa se ejecutó un ensayo de simulación a escala reducida en la pared 
de pruebas con el modelo a escala de la TBM, con el fin de registrar el tipo de 
comportamiento que se origina por su avance, trabajando a escala 1:10 por el 
método de materiales equivalentes y proporcionando suficiente información al 
modelo matemático que al finalizar establecerá la extrapolación precisa existente. 
Además se realizarán registros fotográficos de alta definición, para detallar a 
plenitud las deformaciones producidas en el modelo. 
 
3.1.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS 
Obtenidos los resultados producto de la experimentación en la pared de pruebas 
de Geolab se apuntaron las conclusiones del funcionamiento del modelo físico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
27 
 
Figura 1: Diagrama metodológico de la construcción del modelo físico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fuente: Diego González 
 Jorge Lombana 
 
INICIO 
DISEÑO Y CORTE DE 
ACRÍLICOS 
CONSTRUCCIÓN E 
INSTALACIÓN DEL 
MODELO DE LA TBM 
PLATAFORMA 
DE EMPUJE 
CABEZA DE 
CORTE Y 
ESCUDO 
CONSTRUCCIÓN DE LOS 
ELEMENTOS DE 
SOSTENIMIENTO DEL 
TÙNEL 
INSTALACIÓN DE 
ACRILICOS Y 
ALISTAMIENTO DE LA 
PARED DE PRUEBAS 
CONSTRUCCIÓN 
DEL SUELO 
ARTIFICIAL 
MEZCLA 
COMPACTACIÓN 
TOMA DE 
DATOS 
ANALÍSIS 
DE 
DATOS 
CONCLUSIONES 
PROCESO 
EXPERIMENTAL 
INSTRUMENTACIÓN 
 
DISEÑO DE 
TBM 
28 
 
3.2 OBJETO DE ESTUDIO 
Esta investigación tuvo como objetivo construir un modelo físico a escala reducida 
por el método de materiales equivalentes. Investigación que corresponde a la línea 
de investigación: “excavaciones y estructuras de sostenimiento”, línea 
perteneciente a CIROC; en el proyecto TORRES, Camilo. NIETO, 
Fernando."Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la 
construcción de micro túneles en suelos blandos”. Para el estudio de los efectos 
en superficie del avance de túneles con una tuneladora TBM-EBP en suelo blando 
 
3.3 INSTRUMENTOS 
En el desarrollo del proyecto de investigación se utilizaron formatos diseñados por 
otro investigador, en este caso los realizados por Joseph Bowles y Natalia Marín. 
Los formatos utilizados se encuentran en el Anexo A y B. 
 
 
3.4 HIPÓTESIS 
El sistema constructivo aplicado en la modelación física a escala reducida de 
procesos geotécnicos está directamente relacionado con los resultados obtenidos 
en el ensayo experimental. 
 
3.5 COSTOS 
El costo total de la presente investigación fue de $11.797.395,00. (Anexo B). 
 
29 
 
4. TRABAJO INGENIERIL 
 
4.1 DESARROLLO 
Durante el desarrollo de la investigación fueron ejecutadas diferentes actividades 
descritas en un cronograma. A continuación se mencionan y describen cada una 
de ellas. 
 
4.2 MONTAJE DE PERFILERÍA 
Ya construida la estructura base para la modelación física con dimensiones 
interiores de 2.5m x 2.5m x 2.0m,se comenzó con la clasificación de la 
perfilaría a ensamblar en el modelo. 
 
 
Figura 2. Estructura base pared de pruebas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
Figura 3. Corte y alistamiento de perfiles C 
 
 
 Figura 4. Perfilaría C sobre piso de pared de pruebas 
 
 
 4 perfiles C Standard de 3 pulgadas de 2243,6mm de longitud, acoplados 
verticalmente en la parte media de las caras laterales previstas para la 
visualización del comportamiento del suelo homogéneo dentro de la 
estructura. Conectados al piso y vigas superiores de la pared de pruebas 
31 
 
por medio de 4 pernos de 3/8 de pulgada cada uno. 
 Figura 5. Postura de perfiles C verticalmente 
 
 Figura 6. Perfiles C Standard de 3 pulgadas 
 
 
 
 
 
 
32 
 
 4 perfiles C Standard de 3 pulgadas de 2463,1mm de longitud, acoplados 
verticalmente en los extremos de las caras laterales traslucidas. 
Conectados a 2 laminas triangulares y sujetados mediante 4 pernos de 3/8 
de pulgada cada uno. 
Figura 7. Unión perfil C con pernos de 3/8 de pulgada a la aleta triangular soldada 
 
 
 12 perfiles C Standard de 3 pulgadas de 2548mm de longitud, ubicados 
horizontalmente en la parte inferior y superior de las caras laterales 
designadas para la colocación de las láminas de acrílicos en la estructura, 
conectados a los perfiles C Standard ubicados verticalmente en la 
estructura y sujetados por medio de 8 pernos de 3/8 de pulgada cada uno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
Figura 8. Ubicación perfiles C horizontalmente 
 
 
 
4.3 MONTAJE DE ACRÍLICOS 
Dos de las caras laterales de la pared de pruebas se diseñaron para la 
observación de los cambios geométricos producidos por el avance de túneles 
con una tuneladora TBM-EPB en suelos blandos. Para ello se utilizaron 2 acrílicos 
con dimensiones de 2520mm x 1447,8mm de superficie y 20mm de espesor. 
Posteriormente cada uno de los acrílicos fue seccionado en el centro; al primer 
acrílico ubicado en el frente de excavación se le realizó un corte circular de 45cm 
de diámetro, y al segundo acrílico ubicado en la salida de excavación se realizó 
un corte circular con un diámetro de 50 cm. 
 
 
 
 
 
34 
 
 Figura 9. Lamina de acrílico cortada circularmente en la mitad 
 
 
 
 Figura 10. Láminas de acrílico previamente perforadas 
 
 
 
 
35 
 
Inicialmente los acrílicos estaban cubiertos en todo su perímetro por un cordón de 
silicona como protección de los mismos, lo que conllevó al uso de una caladora 
para originar sus medidas exactas previamente descritas en el diseño del modelo. 
El corte de los acrílicos se realizó con una caladora industrial. 
 
Los acrílicos tenían que encajar en la pared de pruebas de manera precisa 
recreando un ambiente totalmente confinado, para lo cual se necesitaron 40 
tornillos para sujetarlos a los perfiles verticales en los extremos de las caras 
laterales. Las secciones circulares sobrantes del corte central realizado en cada 
uno de los acrílicos fueron acondicionadas como tapas móviles en la pared de 
pruebas. 
Figura 11. Posición final de lámina de acrílico en la pared de pruebas 
 
 
 
36 
 
 
Para garantizar una mejor compactación del suelo blando, dentro de la pared de 
pruebas se ubicaron 2 láminas en triplex de 2.5x1.5 
 
Figura 12. Acople de láminas de triplex 
 
 
4.4 PINTURA DE PERFILES 
Con la pared de pruebas totalmente ensamblada se procedió a darle el acabado 
de color a la perfilaría C acoplada inicialmente, optando por suministrar el mismo 
tipo de tono que posee la base estructural de la pared de pruebas. El 
recubrimiento total de la perfilaría C Standard con pintura se dificultó, por lo que se 
debió desmontar cada uno de estos y continuar el proceso al exterior del modelo. 
 
El proceso de acabado en la perfilería inició con la limpieza de óxido presente en 
el material con la utilización de un galón de pentóxido y estopa, dejando secar por 
37 
 
 
20 minutos para posteriormente agregar las respectivas capas de esmalte 
amarillo. (3 capas). 
Figura 13. Materiales de acabados 
 
 
Figura 14. Suministro de pentóxido a perfilería C Estándar 
 
 
 
 
38 
 
 
 
Figura 15. Perfilería en proceso de acabado 
 
 
Figura 16. Toque final de acabado en perfilería 
 
 
 
 
 
39 
 
4.5 ANDAMIAJE 
El director de la investigación advirtió acerca del cuidado extremo que se debe 
tener con el material homogéneo contenido dentro de la pared de pruebas, con el 
objeto de minimizar los cambios producidos en las propiedades mecánicas del 
suelo por la manipulación experimental. El andamiaje construido, propiamente 
constó de 4 tablas burras atornilladas con 4 pernos de 3/8 de pulgada en sus 
extremos formando una cuadricula para el desplazamiento de los auxiliares de 
construcción dentro del modelo físico. 
Figura 17. Manila para andamiaje 
 
 
Figura 18. Andamio dentro de la pared de pruebas 
 
 
40 
 
El andamio a su vez fue sujetado a las vigas superiores de la pared de pruebas 
por medio de una manila con la utilización de nudos corredizos para la fácil 
manipulación del mismo. Durante el proceso de llenado de la pared de pruebas, el 
tablado fue desplazado verticalmente una vez se terminaran 10 capas, operación 
realizada por los auxiliares asignados. 
Figura 19. Utilización de andamiaje en el proceso constructivo 
 
 
4.6 MATERIALES DEL SUELO MODELADO 
Los materiales utilizados en el desarrollo de la presente investigación fueron arena 
Sikadur 506, Bentonita y Aceite Shell Omala, dosificados con respecto al volumen 
del trompo utilizado en la producción del suelo homogéneo a depositar dentro de 
la pared de pruebas del laboratorio. 
 
 
 
 
 
 
41 
 
Figura 20. Arena Sikadur 
 
 
En el laboratorio GeoLab fueron recibidos 200 sacos de arena con pesos 
individuales de 30 kilos, que a su vez fueron depositados en 2 tolvas cilíndricas de 
2.5 m3 de manera provisional, abriendo una llave de paso ubicada en la parte 
inferior de cada una de las tolvas cada vez que se requiriera material. 
 
Figura 21. Extracción de arena depositada en tolva 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
42 
 
Figura 22. Sacos de bentonita (50kg) 
 
 
De igual manera se depositaron los bultos de bentonita de 50 kg en una de las 
tolvas cilíndricas de 2.0 m3 de capacidad de manera provisional, realizando la 
extracción mediante una llave de paso ubicada en la parte inferior. 
Figura 23. Tolva al interior de GeoLab y barril de aceite. 
 
 
43 
 
El aceite Shell Omala se recibió en el laboratorio en barriles y canecas dotadas 
con un mecanismo de extracción eficaz para el manejo en laboratorio. 
 
El volumen total obtenido por mezcla fue de 38984 grs, logrando llenar 
completamente la capacidad del trompo. 
Figura 24. Trompo utilizado en la preparación del material homogéneo 
 
Figura 25. Material homogéneo 
 
44 
 
En promedio eran necesario 6 trompos llenos de material homogéneo (arena, 
bentonita y aceite) para rellenar una capa de 0.15625m3 dentro de la pared de 
pruebas, en donde previamente se habían demarcado posiciones verticales con el 
uso de una cinta métrica cada 2.5cms desde el nivel 0 hasta los 1.5 m en su nivel 
superior. 
Figura 26. Vaciado de material homogéneo 
 
 
4.7 PRODUCCIÓN DE LA MEZCLA HOMOGÉNEA 
La combinación y dosificación de materiales en la obtención del suelo modelado 
fue establecida por el director de la investigación Phd. Camilo Torres con base en 
el trabajo de MARIN, Natalia. “Evaluación de parámetros elásticos de mezclas 
artificiales de suelos para modelos del laboratorio GeoLab”. Las cantidades fueron 
controladas con una balanza digital con una tolerancia de 16 kilogramos y la 
utilización de baldes con argollas para su pesaje. 
 
45 
 
Teniendo en cuentaque la capacidad promedio del trompo era de 50 kg, los 
materiales fueron dosificados de la siguiente manera: 
DOSIFICACIÓN DE MATERIALES POR MEZCLA (TROMPO): 
1. ARENA 33443 grs 
2. BENTONITA 4028 grs 
3. ACEITE 1513 grs 
Figura 27. Proceso de pesaje del material 
 
 
Inicialmente al trompo en movimiento se agregaban los 33443 grs de arena y 
enseguida los 1513 grs de aceite. Combinados estos dos materiales y el trompo 
en funcionamiento el proceso de mezclado continuaba por 10 minutos, para luego 
proceder a agregar la bentonita. 
 
Ya con los materiales completos y dosificados dentro del trompo el procedimiento 
de combinado se prolongaba por 10 minutos más, para así completar un tiempo 
46 
 
promedio por mezcla de 20 minutos en donde resultaban 38984 grs de material 
homogéneo listo para depositar dentro de la pared de pruebas. En promedio eran 
necesarias 6 mezcladas en el trompo para suplir el volumen de una capa dentro 
del modelo físico, equivalente a 0.15625m3. Teniendo en cuenta que fueron 
necesarias 60 capas dentro de la pared de pruebas, equivalentes a 9.375 m3 de 
material depositado en total. 
Figura 28. Aceite Shell Omala 
 
 
4.8 LLENADO Y MANEJO DEL MATERIAL HOMOGÉNEO DENTRO DE LA 
PARED DE PRUEBAS 
A medida que se producía el material homogéneo, se procedía con el llenado de la 
pared de pruebas en la cual se depositarían más de 9.0 m3 de suelo modelado. 
 
Inicialmente se rellenaron los vacios existentes en los perfiles C Standard de 3 
pulgadas (ancho) ubicados horizontalmente dentro de la pared de pruebas y así 
47 
 
crear una superficie plana en su totalidad e iniciar el proceso repetitivo de 
formación de capas dentro del modelo. Con el uso de baldes y palustres se rellenó 
cuidadosamente desde el nivel cero procurando en lo posible el no contacto con el 
material homogéneo para que no sufriera alteraciones en sus propiedades 
geomecánicas. 
Figura 29. Nivel cero de la construcción del suelo 
 
 
A partir de ese momento debieron conformarse capas horizontales de 2.5 cm de 
alto dentro del modelo. 
 
Al ubicarnos en el nivel (6cm) de altura se optó por depositar por lo menos en 
6cm más arena pura, extraída directamente desde los bultos suministrados, la 
arena no fue compactada pero sí aislada del material subyacente y sobreyacente 
(suelo homogéneo) por medio de viniltex evitando contaminarla. 
 
 
 
 
 
48 
 
Figura 30. Arena Sikadur dentro del modelo 
 
 
El trabajo que debía realizarse con cada capa formada contempló también el 
proceso de nivelación, el cual era realizado mediante la utilización de guías (nylon) 
ubicadas horizontalmente en cada uno de los triples, de manera que se 
desplazaban hacia arriba a medida que se avanzaba en el llenado con el material 
homogéneo. Se fabricó una boquillera en madera de 2.2 m con la que era nivelado 
el suelo homogéneo cada vez terminada la construcción de una capa, pasándola 
varias veces en diferentes sentidos dejando a la vista sectores faltantes o 
sobrantes de material para posteriormente nivelarlo. 
Figura 31. Guía de nivelación de capas 
 
 
49 
 
Inicialmente el ingreso de los operarios a la pared de pruebas se hacía por la 
apertura circular de los acrílicos, pero a medida que el nivel del suelo alcanzaba 
esta área fue necesaria la utilización de una escalera para poder ingresar por la 
parte superior de la pare de pruebas. 
Figura 32. Entrada y salida a la pared de pruebas 
 
 
Figura 33. Pared de pruebas en GeoLab 
 
50 
 
El equipo de operarios ejecutores de la construcción del modelo físico, utilizó 
permanentemente la dotación básica de seguridad suministrada por GeoLab, 
previendo el buen funcionamiento de los procesos desarrollados y la integridad 
completa del proyecto. 
Figura 34. Operarios del proyecto 
 
 
4.9 COMPACTACIÓN DE MATERIAL HOMOGÉNEO DENTRO DE LA PARED 
DE PRUEBAS 
Después de estudiar varias opciones del equipo a utilizar en la compactación de 
cada una de las capas del material homogéneo dentro de la pared de pruebas, 
analizando parámetros como la energía de compactación y manejabilidad en el 
interior del modelo, se seleccionó un instrumento sencillo de manejar y eficiente 
en la búsqueda de la densidad teórica del suelo. Optando por trabajar con un tubo 
de acero de 1.5m de largo x 6 pulgadas de ancho, y un peso neto de 29.9 kg. 
 
51 
 
Figura 35. Compactación del material homogéneo dentro de la pared de pruebas 
 
 
Dentro del proceso se contó con el uso de una membrana en cuerina (cuerotex) 
de 6.25 m2 de superficie para el aislamiento del tubo compactador y el material 
homogéneo, siendo puesta repetidamente sobre cada capa construida y retirada 
una vez se continuara con la siguiente. 
 
Figura 36. Proceso constructivo del modelo físico. 
 
52 
 
Figura 37. Pared de pruebas 
 
 
 
La manejabilidad del cilindro de acero requirió de sumo cuidado en su traslado 
desde el exterior al interior de la pared de pruebas y viceversa, pues difícilmente 
se podía dejar en el interior del modelo por no poseer una base estable donde 
apoyarlo y sobretodo el riesgo constante que existía de tener contacto con la 
superficie del suelo. 
 
Básicamente el proceso de compactación; que en su totalidad fue realizado de 
forma manual, fue dirigido hacia la superficie del suelo homogéneo en dos 
sectores equivalentes al resultado de dividir el área cuadrada en 2 partes debido a 
que el cilindro no cubría la totalidad del área dentro de la pared de pruebas. 
Pasando el cilindro 10 veces por cada una de las zonas, es decir 20 por capa 
realizada se completaron todas las capas de 2.5 cm de espesor con una 
compactación definida por parámetros de ensayos en laboratorio que arrojaron un 
53 
 
valor promedio de densidad para el suelo de 1.65ton/m3 originada por el método 
de compactación utilizado en el proceso constructivo. La densidad promedio del 
material homogéneo se revisó en 3 ocasiones durante la construcción del suelo 
dentro de la pared de pruebas, con la utilización de métodos convencionales del 
laboratorio de suelos. 
 
4.10 ENSAYOS DE DENSIDAD DEL MATERIAL HOMOGÉNEO DENTRO DE LA 
PARED DE PRUEBAS 
Dentro de la programación de actividades en la construcción del modelo físico en 
GeoLab, se contemplaba la realización de 3 ensayos de densidad en el suelo 
homogéneo dentro de la pared de pruebas para verificar si la densidad obtenida 
en el proceso de compactación realizado mediante el tubo de acero y de forma 
manual era la ideal. En este caso de 1.65ton/m3. El grupo investigativo de 
GeoLab decidió realizar los 3 ensayos de densidad en distintos lugares del 
modelo, el primero de estos a 65cms de avance vertical en la construcción del 
suelo, arrojando un valor superior a la densidad óptima. Obligando al equipo de 
trabajo a redefinir el proceso de compactación, empezando por disminuir el 
número de pasadas con el tubo de acero que de 40 por capa se redujo a 20. 
Además se optó por cambiar de método de ensayo para verificar la densidad del 
material con el objeto de comparar datos con diferentes metodologías de 
laboratorio y sobretodo porque este método alteraba mucho la superficie del 
suelo. 
54 
 
La segunda y tercera prueba de densidad en el suelo homogéneo se realizaron en 
la mitad y 2 capas antes del suelo terminado respectivamente; esta vez con el uso 
del densímetro nuclear, teniendo cuidado de ejecutar los ensayos en zonas no 
traslapadas (zonas en donde el rodillo pasa dos veces). 
Figura 38. Determinación de densidad en el suelo homogéneo 
 
 
Figura 39. Densímetro nuclear 
 
55 
 
Tabla 1. Datos de ensayo de densidad en el suelo modelado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROFUNDIDAD 10 cm 
DENSIDAD MAXIMA 103,3 lb/pie3 
DENSIDAD SECA 101,1 lb/pie3 
DENSIDAD HUMEDAD 115,9 lb/pie3 
%PROCTOR 77,6 
 DATOS 1 DATOS 2 
DENSIDAD SECA 98,3 102,1 
DENSIDAD HUMEDA 104107,6 
%PROCTOR 75,5 78,4 
%M 5,8 5,3 
M 5,7 5,4 
DENSIDAD MAX 130,3 130,3 
PROFUNDIDAD 10 cm 10 cm 
 DATOS 1 DATOS 2 
DENSIDAD SECA 97,9 98,4 
DENSIDAD HUMEDA 104,8 104,3 
%PRROCTOR 75,2 75,5 
%M 7 6 
M 6,8 5,9 
DENSIDAD MAX 130,3 130.3 
PROFUNDIDAD 10cm 10cm 
CONO DINÁMICO 
DENSÍMETRO NUCLEAR (PRUEBA 1) 
DENSÍMETRO NUCLEAR (PRUEBA 2) 
ENSAYOS DE DENSIDAD EN EL SUELO MODELADO 
56 
 
Figura 40. Densímetro nuclear 
 
 
 
4.11 INSTRUMENTOS DE MEDIDA EN LA PARED DE PRUEBAS 
Uno de los factores más importantes en la modelación física fue la determinación 
de esfuerzos producidos en el suelo homogéneo por el avance de la TBM en el 
proceso experimental, por ello fueron puestas celdas de presión en el interior de la 
pared de pruebas en coordenadas posicionales distintas. 
Figura 41. Celdas de presión en el modelo físico 
 
 
57 
 
Las celdas de presión son sumamente sensibles al contacto, lo que fue tenido en 
cuenta en el momento de su ubicación dentro de la pared de pruebas pues se 
localizaban a escasos cms de la proyección de recorrido de la TBM. 
Figura 42. Ubicación y ajuste de celdas de presión 
 
 
 
Tan pronto se finalizó la construcción del suelo homogéneo dentro de la pared de 
pruebas y el alistamiento final en superficie se llevó a cabo la ubicación y 
calibración de la instrumentación digital programada para medir las alteraciones 
producidas en el suelo blando a causa del avance del modelo de la máquina 
tuneladora. 
 
Primero se construyó una cuadrícula en toda la extensión horizontal superficial del 
suelo homogéneo a 10 cm del mismo sujetándola al perímetro de la pared que en 
este nivel eran las láminas de acrílico y triplex, utilizando hilo rojo y conformando 
cuadrantes de 20x20cms. 
 
58 
 
Figura 43. Cuadricula sobre superficie del suelo blando 
 
 
 
Luego fueron distribuidos chinches en la superficie del material homogéneo 
teniendo como referencia la cuadricula en hilo, con el objeto de hacer perceptible 
el desplazamiento por medio de ensayos fotogramétricos en el momento de la 
perforación mecánica del suelo. La gran cobertura del proyecto realizado por 
GeoLab tuvo la inclusión de instrumentos especializados como lo son los Lvdts, 
que al ser ubicados sobre la superficie terminada del suelo modelado en un 
soporte de madera, permitieron obtener información precisa de los 
desplazamientos verticales originados en la prueba. Se utilizaron 12 de estos 
instrumentos de medida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
59 
 
Figura 44. Instrumentos de medida 
 
 
 
Dentro del proceso constructivo del suelo homogéneo fueron ubicados puntos de 
referencia visual dentro de la pared de pruebas para las mediciones 
fotogramétricas en el proceso de experimentación, estos puntos de madera eran 
trozos de madera en forma cilíndrica puestos perpendicularmente a cada una de 
las dos láminas traslucidas en acrílico y así registrar los movimientos sufridos en 
el suelo blando por la acción del modelo de la TBM. 
 
60 
 
Figura 45. Maderos en el suelo homogéneo (color rojo) 
 
 
4.12 PLATAFORMA DE TBM Y FRENTE DE EXCAVACIÓN 
El frente de excavación del modelo estaba ubicado en el plano central de la cara 
anterior de la pared de pruebas (costado trasero del laboratorio) coincidiendo con 
el orificio circular de 45 cms de diámetro previamente realizado en la lámina 
traslucida de acrílico. Para la postura del modelo de la tuneladora se necesitó de 
una plataforma metálica que se creó con perfilaría C e I, siendo cortada a medida, 
soldada, acoplada entre sí y posteriormente empotrada en la pared de pruebas 
logrando conformar una base rígida y estable para soportar el constante empuje 
mecánico del modelo de la tuneladora. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
61 
 
Figura 46. Plataforma de TBM en frente de excavación. 
 
 
En el proceso de empuje de la máquina tuneladora se necesitó de un tornillo sin 
fin de 2,5 m de diámetro y 3 m de largo con una palanca en su parte final diseñada 
para realizar el empuje mecánico del modelo de la TBM. Este tornillo se sujetó a 
un trozo de perfil I sobre la plataforma por medio de pernos, lo que permitía 
desplazarlo a medida que el modelo de la máquina tuneladora ingresaba. 
 
Figura 47. Pared de pruebas 
 
62 
 
4.13 PRUEBA EXPERIMENTAL 
Una vez finalizada la construcción del modelo físico para el estudio de los efectos 
en superficie del avance de una TBM-EPB en suelos blandos, se llevó a cabo la 
perforación mecánica por medio de una palanca acoplada al tornillo sin fin de 
manera que permitiera realizar desplazamientos cortos pero constantes dentro del 
material homogéneo. En algunos casos la manipulación de la palanca necesitó de 
2 operarios que junto a los demás auxiliares presentes en el ensayo se 
sincronizaron con cronómetros digitales, realizando 2 giros consecutivos de 360 
grados equivalentes a 2.5 cm de avance dados a la señal del ingeniero a cargo. 
Figura 48. Sistema mecánico de perforación 
 
 
Para el proceso de extracción del material homogéneo se optó por utilizar una 
aspiradora, que en obra se asemeja a la banda transportadora que lleva consigo la 
TBM, la cual facilitó enormemente el rendimiento de operación en el avance del 
túnel además de añadirle tubería en pvc de 1” para mayor alcance en el interior de 
la excavación. El proceso de retiro de material se realizaba después de 3cm de 
63 
 
avance mecánico, obteniendo en promedio cada vez 10 kg de material residual 
que al final del ensayo sumo un volumen de 0,5 m3. 
 
Fue necesario limpiar periódicamente la aspiradora para la eficiencia del proceso 
experimental. 
Figura 49. Limpieza de aspiradora 
 
 
También se contó con un bombillo de pila que facilitó la visibilidad dentro del 
túnel, pues a medida que avanzábamos se perdía iluminación en interior. 
Figura 50. Bombillo de pila. 
 
 
64 
 
Al final del ensayo se perforó en su totalidad lo previsto inicialmente, en total 2.5 m 
de longitud dentro de la pared de pruebas con un volumen de material blando 
extraído de 0.5 m3, que posteriormente fue depositado en una de las tolvas de 
almacenamiento. 
 
En su totalidad todo el material homogéneo fue depositado en las 3 tolvas de 
almacenamiento. 
 
4.14 CÁLCULO DE CUANTÍAS 
El proceso constructivo del modelo físico contó con la participación de 4 operarios 
en laboratorio, desarrollando cada uno de ellos tareas específicas y previamente 
programadas por CIROC. 
 
Actividades realizadas en el proceso constructivo del modelo: 
 
1. CORTE DE ACRÍLICOS: Corte sobre medida de las láminas de acrílico, 
pulida y verificación a escuadra. 
2. MONTAJE DE ACRÍLICOS: Acople de las 2 láminas de acrílico en la pared 
de pruebas con tornillos de 3/8” 
3. CORTE DE PERFILERÍA: Demarcación a escuadra de perfiles C de 3 
metros y posterior corte sobre medida con el uso de segueta. 
4. PERFORACION DE PERFILERÍA: Perforación de perfiles C para tornillería 
de 3/8, con el uso de un taladro empotrado. 
65 
 
5. MONTAJE DE PERFILERÍA: Acople de perfiles C de posición vertical y 
horizontal en la pared de pruebas. 
6. PINTURA DE PERFILERÍA: Aplicación previa de pentóxido a la perfilería C 
y posteriormente anticorrosivo y pintura en esmalte. 
7. ALMACENAMIENTO DE INSUMOS EN TOLVAS: Depósito de arena y 
bentonita en tolvas cilíndricas por bultos de 30 y 50 kg respectivamente, 
descargados desde transporte vehicular. 
8. MEZCLA DE MATERIAL HOMOGÉNEO: Dosificación y mezcla de 
materiales puros en el mezclador eléctrico. 
9. ALISTAMIENTO DE MATERIAL HOMOGÉNEO: Conformación y 
nivelación de capas de suelo homogéneo con una altura de 2.5 cm cada 
una. 
10. COMPACTACIÓN DE MATERIAL HOMOGÉNEO: Compactación con 
cilindro de acero la superficie del suelo blando en cada una de las 60 
capas construidas. 
11. DISTRIBUCIÓN PUNTOS FOTOGRAMETRICOS EN LA PARED DE 
PRUEBAS: Distribución y posicionamiento de maderos de 5 cms de 
longitudde forma perpendicular a las láminas de acrílico y sobre capas 
intermedias de suelo homogéneo. 
12. CONSTRUCCIÓN CUADRÍCULA FOTOGRAMÉTRICA SOBRE LA 
PARED DE PRUEBAS: Realización de cuadrÍcula con hilo a 10 cm de 
distancia vertical de la superficie terminada del suelo homogéneo dentro de 
66 
 
la pared de pruebas, conformando cuadrantes de 20 x 20 cm en toda su 
extensión, además de la colocación aleatoria de puntillas con cabeza 
grande y de colores sobre la superficie finalizada. Lo anterior para el 
análisis fotogramétrico en planta sobre el modelo físico. 
13. POSICIONAMIENTO DE DEFORMÍMETROS SOBRE LA SUPERFICIE 
DEL SUELO: Posicionamiento de deformimetros digitales sobre la 
superficie terminada del suelo homogéneo del modelo físico sobre su 
respectiva estructura base, realizando las conexiones correspondientes 
para el funcionamiento del hardware y software especializado. 
14. CONSTRUCCIÓN PLATAFORMA DE LANZAMIENTO: Construcción de 
estructura en perfilería como base de la TBM como sostenimiento para el 
desarrollo de toda la perforación del túnel. 
15. POSICIONAMIENTO TBM EN PLATAFORMA DE LANZAMIENTO: Acople 
de máquina tuneladora a plataforma de lanzamiento para la perforación del 
suelo. 
16. PERFORACIÓN MECÁNICA SUELO HOMOGÉNEO: De forma mecánica 
se atraviesa en toda su longitud la pared de pruebas por la TBM a razón de 
2.5 cm/seg. 
El trabajo horas hombre está dado por la expresión: 
TRABAJO HORAS/HOMBRE= 
 (TIEMPO TOTAL DE EJECUCIÓN DE LA ACTIVIDAD) X (No DE OPERARIOS) / CANTIDAD 
 
 
 
67 
 
 
 
Tabla 1. Trabajo horas/hombre 
ITEM CAPÍTULO ACTIVIDAD UNIDAD 
TIEMPO 
(HORAS) 
No DE 
OPERARIOS 
CANTIDAD 
REALIZADA 
 HORAS 
/HOMBRE 
1 
PARED DE 
ACRÍLICOS 
CORTE DE 
ACRÍLICOS 
ML 4 2 18 0.45 
2 
MONTAJE DE 
ACRÍLICOS 
M
2 
3 3 7.5 1.2 
3 
ESTRUCTURA EN 
PERFILERÍA 
CORTE DE 
PERFILERÍA 
UN 8 2 20 0.8 
4 
PERFORACIÓN DE 
PERFILERÍA 
PUNTO 12 2 128 0.19 
5 
MONTAJE DE 
PERFILERÍA 
ML 32 3 49.5 2.1 
6 
PINTURA DE 
PERFILERÍA 
ML 8 2 49.5 
 
0.32 
7 
SUELO 
HOMOGÉNEO 
ALMACENAMIENTO 
DE INSUMOS EN 
TOLVAS 
M3 4 4 9
 
1.77 
8 
MEZCLA DE 
MATERIAL 
HOMOGÉNEO 
M3 150 2 9.3
 
32.3 
9 
ALISTAMIENTO DE 
MATERIAL 
HOMOGÉNEO 
M3 70 2 9.3 
 
15.1 
10 
COMPACTACIÓN DE 
MATERIAL 
HOMOGENEO 
M3 50 2 9.3 10.8 
68 
 
11 
INSTRUMENTACIÓN 
DE MEDIDA 
DISTRIBUCIÓN 
PUNTOS 
FOTOGRAMÉTRICO
S EN LA PARED DE 
PRUEBAS 
PUNTO 20 2 366 0.11 
12 
CONSTRUCCIÓN 
CUADRÍCULA 
FOTOGRAMÉTRICA 
SOBRE LA PARED 
DE PRUEBAS 
M2 7 2 6.25 2.24 
13 
POSICIONAMIENTO 
DE 
DEFORMÍMETROS 
SOBRE LA 
SUPERFICIE DEL 
SUELO 
HOMOGENEO 
M2 8 2 6.25 2.56 
14 
ENSAYO 
EXPERIMENTAL 
CONSTRUCCIÓN 
PATAFORMA DE 
LANZAMIENTO 
ML 5 2 1.5 6.5 
15 
POSICIONAMIENTO 
TBM EN 
PLATAFORMA DE 
LANZAMIENTO 
UN 4 4 1 16 
15 
PERFORACIÓN 
MECÁNICA SUELO 
HOMOGÉNEO 
ML 9 8 2.5 28.8 
16 
RETIRO DE 
MATERIAL 
HOMOGÉNEO DE LA 
PARED DE 
PRUEBAS 
M3 16 3 9.3 5.2 
 
 4.15 ENSAYO DE TRIAXIAL 
Al finalizar la perforación del túnel se desconocían los valores de cohesión y 
ángulo de fricción del suelo modelado; que en conjunto caracterizan ampliamente 
el material homogéneo y definen concretamente su resistencia. Por tal razón, se 
realizaron 3 ensayos triaxiales con muestras obtenidas directamente del suelo 
fabricado en GeoLab. 
 
 
 
69 
 
 
 
 
Tabla 2. Resultados finales del ensayo triaxial 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
70 
 
 
5. CONCLUSIONES 
 
 
 
 El orden de incorporación de los materiales para la mezcla de suelo en el 
trompo mezclador se debe añadir en la secuencia de arena-aceite-bentonita 
para obtener un mejor resultado en la forma y textura del suelo homogéneo, 
brindando así una mejor manejabilidad en todo el proceso constructivo de 
las capas consecutivas. 
 
 Según el cálculo de cuantías laborales dentro de la construcción del modelo 
físico, se pudo establecer que; la actividad que demandó mayor tiempo de 
ejecución fue la producción de mezclas de material homogéneo conformado 
por (arena-aceite-bentonita), en donde se detectó que la calidad del suelo 
conformado estaba directamente relacionado con el tiempo de mezclado y 
la exactitud en la dosificación de insumos. 
 
 La construcción del modelo físico demandó la producción final de 9.4 m3 de 
material homogéneo distribuidos en 60 capas de 2.5 cm de altura cada una 
y la fabricación de 300 mezclas compuestas. 
 
 
71 
 
 La máquina tuneladora impulsada manualmente finalizó la perforación 
inclinada entre 5 y 10 grados del eje longitudinal del túnel, en su efecto por 
variaciones en el empuje y el sistema de lanzamiento de la TBM. 
 
 Los valores del ángulo de fricción obtenidos en el material homogéneo se 
encuentran entre 25 y 35˚. 
 
 Los valores de cohesión obtenidos en el material homogéneo se 
encuentran entre 5 y 15 kPa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
72 
 
 
6. RECOMENDACIONES 
 
 
 
 Para la perforación de los perfiles C deberá usarse un taladro industrial 
previamente ajustado a una base empotrada en un mesón de concreto 
reforzado. 
 
 Para la realización de los ensayos de densidad al material homogéneo 
contenido en la pared de pruebas es necesario considerar el no proceder 
sobre la zona traslapada por el rodillo compactador. 
 
 Se recomienda realizar varios ensayos de densidad al material homogéneo 
dentro de la pared de pruebas para considerar la energía de compactación 
establecida constantemente para el proceso constructivo del suelo modelo. 
 
 Para conformar cada una de las capas de material homogéneo se debe 
realizar una distribución uniforme con la menor magnitud de caída libre 
posible del material, con en el objeto de contrarrestar el asentamiento por 
manipulación. 
 
 
 
73 
 
 La secuencia de incorporación de materiales puros (insumos material 
homogéneo) en el trompo mezclador deberá realizarse plenamente con un 
intervalo de añadido de 10 minutos mínimo entre cada uno de ellos con la 
sucesión de arena, bentonita y aceite. 
 
 
 Fue necesario la utilización de una boquillera en madera para la nivelación 
de cada una de las capas de material homogéneo en toda su extensión 
superficial, debido a que el volumen requerido de material en la 
conformación de cada una de las 60 capas estaba previamente 
cuantificado, y por consiguiente cualquier descuadre geométrico dentro de 
la pared de pruebas conllevaría a deficiencias de arena bentonita y aceite al 
final de la construcción del suelo. 
 
 En el proceso de compactación deberá colocarse provisionalmente una 
membrana geotextil sobre cada una de las capas conformadas, para evitar 
el contacto directo con la superficie del suelo homogéneo. 
 
 El empotramiento de la plataforma de lanzamiento del modelo de la TBM 
tendrá que ser sobrereforzado, debido a las fuerzas producidas por el 
empuje mecánico del sistema completo. 
 
74 
 
 En todo el proceso constructivo del modelo físico se debe tratar de reducir 
en lo posible el contacto con el material homogéneo. 
 
 Se recomienda el uso permanente y adecuado de los elementos de 
protección industrial, tales como: overoles, botas punta de acero, guantes 
industriales, tapabocas, tapa oídos, gafas, entre otros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
75 
 
 
BIBLIOGRAFÍA 
 
 
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. 
Normas Colombianas para la presentación de tesis de grado 
(QuintaActualización). Bogotá: ICONTEC., 2006. 132p. NTC 1486. 
 
MARIN, Natalia. Evaluación de parámetros elásticos de mezclas artificiales de 
suelos para modelos del laboratorio geolab. Universidad de la Salle. Facultad de 
Ingeniería Civil. Bogotá 2008. 
 
MUIR, David. Geotechnical Modelling. 1ed. London: 2004. pp. 299-304. 
 
NIETO, Fernando. TORRES, Camilo. Evaluación del fenómeno de la subsidencia 
originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos.Primer informe 
preliminar científico. Bogotá: ULS, 2007. 57 p. 
 
RUIZ, Rosa. Estructura para la presentación escrita de informes del proyecto 
integrador. En: ASESORÍA METODOLÓGICA (1er: 2003: Bogotá) memorias de la 
primera asesoría metodológica para la presentación de informes del proyecto 
integrador. Bogotá: U.S.B, 2003. 15 p. 
 
SABINO, C. El proceso de investigación. Buenos Aires: 1978. p 61. 
76 
 
SARMIENTO, Camilo. VIDAL, Harold. Caracterización geomecánica de mezclas 
de suelos para modelos físicos por el método de materiales equivalentes. 
Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería Civil. Bogotá 2007. 
 
FAJARDO, Edgar. BEDOYA, Julio. Guía de procedimientos para la elaboración de 
modelos físicos del laboratorio GEO-LAB del grupo de investigación “CIROC”. 
Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería Civil. Bogotá 2008. 
 
Universidad de La Salle. Programa de Ingeniería Civil. Bogotá: 2009. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANEXO A 
 
 
FORMATO ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANEXO B 
 
RECURSOS MATERIALES 
CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD VR. UNITARIO VR. TOTAL 
Papel Bond Tamaño Carta Unidad 2 $ 10.000,00 $ 20.000,00 
Discos Compactos Unidad 8 $ 1.000,00 $ 8.000,00 
Fotocopias Unidad 200 $ 100,00 $ 20.000,00 
Impresiones( Cartuchos) Global 1 $ 500.000,00 $ 500.000,00 
Materiales de laboratorio Global 1 $10.000.000,00 $10.000.000,00 
TOTAL RECURSOS TECNOLÓGICOS $10.548.000,00 
 
 
RECURSOS INSTITUCIONALES 
Los recursos institucionales que serán utilizados para el desarrollo del presente 
trabajo de grado son: 
 Universidad de la Salle 
 Laboratorio de Procesos Geotécnicos del Grupo CIROC 
 
RECURSOS TECNOLOGICOS 
CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD VR. UNITARIO VR. TOTAL 
Computador Unidad 1 $ 1.800.000,00 $ 1.800.000,00 
Impresora Unidad 1 $ 400.000,00 $ 400.000,00 
Cámara digital Unidad 1 $ 700.000,00 $ 700.000,00 
TOTAL RECURSOS TECNOLÓGICOS $2.900.000,00 
 
 
 
 
 
 
 
RECURSOS HUMANOS 
CARGO ENCARGADO No HORAS VR. TOTAL 
Investigador Estudiante proyecto de grado 300 ------------------ 
Coinvestigadores 
Director temático * $ 128.000,00 
Asesora metodológica ** 20 $ 148.148,00 
TOTAL RECURSOS HUMANOS $ 276.148,00 
 
 
RECURSOS FINANCIEROS 
La totalidad de recursos a utilizar para el desarrollo del presente trabajo de tesis 
son: 
 
Tabla 4. Presupuesto recursos financieros 
 
ITEM 
FUENTES DE FINANCIACIÓN 
UNIVERSIDAD DE LA 
SALLE FACULTAD DE 
INGENIERIA CIVIL 
ESTUDIANTES TOTAL 
MATERIALES $10.000.000,00 $ 548.000,00 $10.548.000,00 
TECNOLOGICOS $ 350.000,00 $ 350.000,00 
HUMANOS $ 148.148,00 $ 148.148,00 
SUBTOTAL $ 10.148.148,00 $ 3.048.000,00 $13.311.248,00 
IMPREVISTOS (5%) $ 507.407,00 $ 152.400,00 $ 665.562,00 
TOTAL $ 10.655.555,00 $ 3.291.840,00 $13.947.395,00 
TOTAL RECURSOS FINANCIEROS $11.797.395,00 
 
 
 
 
 
 
 
 
_______________________ 
 *Valor asumido por la Universidad de La Salle, según resolución rectoría No. 175 de noviembre 20 del 2007. 
 
**
Valor asumido por la Universidad de La Salle, según contrato laboral. 
	PRIMERA PARTE(SIN PAGINAR)
	SEGUNDA PARTE(CON PAGINACIÓN)
	TERCERA PARTE (SIN PAGINACION)