Geologa y Geotecnia del Macizo Rocoso

GEOLOGA Y GEOTECNIA DE MACIZO ROCOSO.

El estudio geolgico sirve para definir las caractersticas de los terrenos a atravesar con el tnel, especialmente las peculiaridades litroestratigrficas e hidrogeolgicas relacionadas con la estabilidad mecnica de las rocas a perforar. Entre las diversas caractersticas de las rocas se destacan dos: la estructura geolgica (origen, historia geolgica, etc.) y la clasificacin geolgica habitual; junto con un posible estudio de su minerologia. Caractersticas complementarias a este estudio pueden ser una evaluacin aproximada de algunas propiedades mecnicas, como cohesin o dureza, de dichas rocas matrices.

El estudio geotcnico busca prever el comportamiento mecnico del macizo rocoso cuando se le someta a modificaciones en su estado tensional de equilibrio, como consecuencia de la construccin del tnel. De ello responden no solo las caractersticas intrnsecas de las rocas matrices, sino su disposicin estructural natural, su estado de fracturacin, presencia de agua y posibles discontinuidades, o en caso lmite, accidentes geolgicos singulares.

Desde un punto de vista practico, se debe considerar en la definicin geotcnica de un macizo rocoso, los siguientes cuatro aspectos:

Caractersticas intrnsecas del material bsico: se extiende a cada uno de los varios conjuntos de rocas matrices que puede presentar un macizo, aunque en un principio parezca continuo y sano. Evaluacin de discontinuidades: se deben sealar la orientacin de los planos de las discontinuidades (rumbos y buzamientos), su frecuencia, la apertura o separacin de dichos planos, la naturaleza de posibles rellenos, la rugosidad de los planos limites, la presencia y circulacin de agua, etc. Respuesta esperable de la roca matriz: en el supuesto de cambios en el estado tensional de equilibrio (ensayos de laboratorio)

Respuesta final esperable del macizo: ensayos de laboratorio, sondeos mecnicos, prospecciones geofsicas o ensayos mecnicos in situ.Ambos estudios, tanto geolgico como geotcnico, resultan esenciales en la construccin de un tnel, ya que entregan datos que son la base para un correcto anlisis mecnico del trazado y permitirn programar la obra y decidir las circunstancias en que se abran de desarrollar las labores de excavacin y revestimiento; adems de poder eliminar la mayor parte de los casos fortuitos e imprevistos y lograr realizar un trabajo dentro del plazo y presupuesto previsto.

CLASIFICACIN DE LAS ROCAS.

Desde el punto de vista geolgico las rocas se clasifican segn su origen y formacin, aunque como los procesos geolgicos son continuos una roca determinada puede convertirse en otra, segn las condiciones a que este sometida. En cualquier caso, el criterio ms usado es el origen, es decir, el mecanismo de su formacin. De acuerdo con este criterio se clasifican en gneas, sedimentarias y metamrficas.ROCAS GNEAS.

Las rocas gneas, de las cuales las ms conocidas son el granito y los basaltos, se formaron por el enfriamiento de un magma a gran temperatura que circula a profundidad como un fluido ms o menos viscoso y se solidifica en las proximidades de la superficie o encima de esta. Los diferentes minerales componentes del magma precipitan y cristalizan a temperaturas diferentes. Si el magma se enfra lentamente a cierta profundidad y a presin elevada se originan las rocas plutnicas, tambin llamadas intrusivas; si el magma se enfra en el exterior y a presin atmosfrica se originan las rocas volcnicas, tambin llamadas extrusivas. En condiciones intermedias se originan las rocas filonianas.

Las rocas plutnicas se disponen en batolitos o plumones, a veces de gran volumen, con contactos irregulares con la roca encajante preexistente. Los batolitos suelen tener races profundas y en superficie aparecen cubriendo reas de forma irregular.

Las rocas volcnicas se disponen en coladas de extensin variable que se adaptaron a la topografa del terreno en el momento de la erupcin. Las coladas pueden apilarse unas encima de otras dando lugar a masas de espesor apreciable, pero cada colada constituye una unidad diferenciable y entre ellas existen superficies de discontinuidad, rellenas a veces con materiales diferentes (cenizas, piro clastos, etc.). El espesor de cada colada depende de la viscosidad del tipo de lava que la formo y pude variar entre algunos metros a varias decenas de metros.

Las rocas filonianas suelen aparecer con formas lenticulares o tabulares mas largas que anchas y que pueden disponerse de forma concordante con las capas de roca encajante, se conocen con nombres como alcoholitos, lopolitos, facolitos, segn su forma o, por el contrario, cortan irregularmente a las capas existentes y reciben el nombre de filones y/o diques.

Las diferentes condiciones fsicas y qumicas que se dan durante la solidificacin de un magma hacen que exista una gran variedad de rocas gneas, las que estn formadas por diferentes minerales, de diversos tamaos y agrupadas en distintas formas; entregando como resultado que sus caractersticas fsicas y qumicas sean muy heterogneas. Su comportamiento ante la fragmentacin, desgaste corte y meteorizacin puede ser variado, sin embargo, a efecto de su perforacin, todas las rocas gneas sin meteorizar son duras y compactas.

ROCAS SEDIMENTARIAS.

Las rocas sedimentarias se forman con elementos de rocas preexistentes que han sido erosionados in situ, transportados y redepositados en otro lugar que se denomina rea o cuenca de sedimentacin. Los agentes de erosin son diferentes (hielo, agua, ataques qumicos, etc.) y tambin lo son los de transporte (gravedad, glaciares, ros, viento, mar, etc.) lo que da lugar a procesos muy variados entre si.

Los sedimentos son materiales porosos y blandos y generalmente estn saturados de agua. Por el contrario, las rocas sedimentarias son mas compactas y normalmente no estn saturadas de agua, aunque tienen la misma composicin y estructura parecida que los sedimentos. El cambio de sedimento a roca sedimentaria se conoce con el nombre de diagenesis y es consecuencia de diversos procesos qumicos y fsicos.

Segn su origen las rocas sedimentarias se clasifican en: Rocas detrticas o fragmentarias: se componen de partculas minerales producidas por la desintegracin mecnica de otras rocas y transportadas, sin deterioro qumico, gracias al agua. Son acarreadas hasta masas mayores de agua, donde se depositan en capas. Ejemplos: lutitas y arenisca.

Rocas orgnicas: formadas con restos de seres vivos. Las ms abundantes se han formado con esqueletos fruto de los procesos de biomineralizacin. Estas rocas tienen un gran contenido de carbono, elemento ms caracterstico de los seres vivos, lo que hace que sean combustibles. Este tipo de rocas son el carbn y el petrleo, el petrleo es la nica roca lquida. Rocas qumicas o rocas de precipitacin qumica: se forman por sedimentacin qumica de materiales que han estado en disolucin durante su fase de transporte. En estos procesos de sedimentacin tambin puede influir la actividad de organismos vivos, en cuyo caso se puede hablar de origen bioqumico u orgnico. Ejemplos: yeso, anhidrita y calizas.

ROCAS METAMRFICAS.Las rocas metamrficas se forman a partir de otras rocas preexistentes que sufren in situ grandes incrementos de presin y temperatura que modifican su estructura y fase mineral, pero manteniendo la composicin qumica. Proceden indistintamente de la transformacin de rocas gneas y de rocas sedimentarias.La clasificacin de las rocas metamrficas es compleja, pues depende del tipo de metamorfismo que hayan sufrido, de su intensidad y finalmente del tipo de roca original, aunque de una manera muy simplificada podemos basarla en la presencia o ausencia de foliacin y en la composicin mineralgica. De esta forma podemos establecer dos grandes grupos:

Rocas Foliadas: a su vez, las rocas foliadas pueden subdividirse, en funcin del tipo de foliacin, tamao de grano y minerales ndice. En este grupo podemos encontrar la pizarra, el esquisto y el gneis. Rocas no Foliadas: generalmente estn compuestas por un solo mineral (monominerales) y entre ellas se destacan el mrmol, la cuarcita y las corneanas.En general, las rocas metamrficas son antiguas y de estructura masiva, pero con planos de debilitamiento que pueden producir dificultades inesperadas. En las fajas montaosas de menor antigedad, las deformaciones que no estn totalmente consolidadas pueden volverse inestables cuando se vean perturbadas por la excavacin.

DISCONTINUIDADES EN EL MACIZO ROCOSOa) FALLASLas fallas son superficies de discontinuidad dentro de una masa rocosa que se caracterizan porque tienen gran extensin y continuidad regional; cuando las rocas se pliegan por compresin o cuando se estiran por traccin pueden soportar una cierta distorsin, pero finalmente se rompen y se forman las fallas. De forma muy simplista las fallas pueden clasificarse en:

Falla Directa: este tipo de fallas se generan por tensin horizontal. El movimiento es predominantemente vertical respecto al plano de falla, suelen tener buzamientos altos, de ms de 45 respecto a la superficie original, saltos definidos y los bordes han sido poco alterados a causa del valor reducido de las tensiones horizontales. El bloque que se desliza hacia abajo se le denomina bloque de techo, mientras que el que se levanta se llama bloque de piso.

Falla Inversa: este tipo de fallas se genera por compresin horizontal. El movimiento es preferentemente horizontal y el plano de falla tiene tpicamente un ngulo de 30 respecto a la horizontal. El bloque de techo se encuentra sobre el bloque de piso. Cuando las fallas inversas presentan un manteo inferior a 45, estas pasan a tomar el nombre de cabalgamiento.

Falla de Desgarre: tambin se les conoce como fallas transversales. Estas fallas son verticales y el movimiento de los bloques es horizontal. Se distinguen dos tipos de fallas de desgarre: derechas o dextrales, son aquellas en donde el movimiento relativo de los bloques es hacia la derecha, mientras que en las izquierdas o sinistrales, es el opuesto.

Tipos fundamentales de fallas: a) Falla inversa b) Falla normal c) Falla de desgarre

Los principales problemas ocasionados por las fallas durante la construccin de un tnel son:

Las fallas suelen favorecer el flujo de agua, pero tambin pueden actuar como barreras impermeables debido a la existencia de materiales ms impermeables en uno de los flancos.

En el plano de la falla lo mas normal es que exista una zona de roca triturada llamada brecha de falla si es grosera y milonita si el material esta triturado muy finamente. Debido a esto la masa rocosa se altera con facilidad, al contener muchos poros o vacos que suelen rellenarse con agua de lluvia o con agua subterrnea, la que puede fluir con mucha rapidez, a causa de la alta permeabilidad de la roca triturada, y modificando los materiales contiguos.

La existencia de acuferos colgados que se encuentran limitados por las fallas pueden provocar graves problemas, sobre todo si el tnel se aproxima a las fallas desde el muro, ya que puede aparecer bruscamente agua a presin que arrastre materiales de relleno.

En las fallas directas el problema radica en la existencia de brechas de falla o milonitas, por tratarse de rellenos fracturados por los que puede fluir el agua.

Las fallas inversas presentan ms riesgos que las directas al poseer un buzamiento menor y el ms que probable alto nivel de tensiones horizontales que hace que la zona prxima a las fallas se encuentre ms fracturada.

En las fallas de desgarre el riesgo se encuentran en que pueden tener series de diaclasas paralelas que forman bloques inestables. Las fallas entre bloques originan muy pocos problemas ya que raramente presentan rellenos.

La orientacin de las fallas es de vital importancia con relacin a la traza de un tnel ya que:

1. A medida que el rumbo de las fallas coincide con la direccin del tnel los problemas son mayores; de ah que cuando sea posible, la direccin del tnel deber ser perpendicular al rumbo de las fallas.

2. Es preferible que el tnel se aproxime a las fallas por el techo que por el muro, ya que si se acerca por el muro puede producirse, sin aviso previo, el desprendimiento de cuas de rocas delimitadas por las fallas y el techo del tnel.

3. Cuando el buzamiento es pequeo pueden aparecer roturas en la clave, independiente del rumbo del tnel.

Como se ha visto, el problema de las fallas es tan importante durante la construccin de un tnel, que muchas veces, deben estudiarse varias alternativas en el trazado, eligiendo la excavacin que cruce un menor nmero de fallas. Por todos estos problemas habr que efectuar reconocimientos geofsicos y sondeos que permitan determinar la situacin de las fallas. Si se conoce con antelacin la presencia de una falla, se tiene un gran porcentaje del problema resuelto, ya que los inconvenientes causados por estas suelen ser mayores cuando aparecen bruscamente.

Las soluciones mas empleadas cuando se atraviesan zonas de fallas estn las inyecciones de consolidacin, paraguas de micropilotes, colocacin de chapa Bernold, predrenaje, etc. El empleo del predrenaje da buenos resultados si la permeabilidad no es muy alta y la zona de la falla tiene una cantidad suficiente de finos como para que las tensiones capilares del agua intersticial le aporten a los materiales una cohesin aparente.b) DIACLASAS.

Las diaclasas son fracturas en las que, al contrario que las fallas, no hay desplazamiento relativo entre los bloques. Son estructuras muy abundantes, las que se clasifican segn su origen en:

Sinclasas o diaclasas primarias: formadas durante la formacin de la roca, como las que se encuentran en las rocas volcnicas, principalmente en las lavas baslticas, como consecuencias de la prdida de volumen que experimentan al enfriarse. Tectoclasas o diaclasas secundarias: son posteriores a la formacin de la roca y se originan siempre por esfuerzos.

La formacin de las diaclasas obedece a muy diversas causas, como lo pueden ser tambin las originadas por efectos del clima y la meteorizacin, como por ejemplo, las debidas a ciclos de expansin y contraccin.

Estudios en las rocas con este tipo de fracturas demuestran que el espaciamiento entre las juntas aumenta con la profundidad, y la anchura de las juntas disminuye con la profundidad, es decir, que la roca mas profunda, a grandes rasgos, parece ser ms slida. La nica excepcin a esto es la roca caliza que se disuelve mas fcilmente con el agua y que, por lo comn, contiene muchas discontinuidades.

Algunos aspectos fundamentales de las diaclasas o juntas de rocas sobre la estabilidad de los tneles son:

El nmero de juntas que existe en un macizo rocoso determina su comportamiento, mediante el grado en que puede desformarse sin que se produzcan roturas y la disposicin de las mismas, ya que esta determina la forma de rotura.

Para que existan bloques inestables en un tnel deben aparecer como mnimo tres familias de juntas, siendo un condicionante importante para la estabilidad del terreno la orientacin relativa de estas respecto a la geometra de la excavacin.

Es muy comn encontrar familias de juntas paralelas y con ngulos uniformes, con la formacin de bloques inestables que representan un riesgo apreciable de cada dentro de la excavacin.

Si predomina la estratificacin vertical se pude llegar a una situacin en las que las juntas se abran y los bloques caen por efecto de la gravedad, de ah que sean necesario sistemas de sostenimientos dirigidos al control de estos bloques inestables.

En caso de estratificacin horizontal con juntas de debilidad formando ngulos rectos con los planos de estratificacin, aparecern desprendimientos en forma de losas o tablas.

Cuando el tnel es paralelo al rumbo de la estratificacin, en general, el frente es estable; mientras que las condiciones del techo empeoran para buzamientos de estratos bajos si hay juntas conjugadas a la estratificacin alineadas con el tnel.

Cuando el tnel es perpendicular a la estratificacin, en general, los hastales son estables, presentndose problemas de cada de bloques en el techo y en le frente, dependiendo del buzamiento y existencia de otra familia de juntas. c) PLEGAMIENTOS.

Cada tipo de roca puede experimentar deformaciones de tres tipos: elsticas, plsticas o por rotura. La deformacin plstica es la causante de los pliegues, y la deformacin por rotura de las fallas y diaclasas.

Si se analizan las rocas que estn sometidas a compresin, se observa que estn sujetas a un campo de esfuerzos representado por tres componentes:

Fuerza lateral activa, causante de la distorsin.

Fuerza de confinamiento lateral, debida a la rigidez de la corteza terrestre.

Fuerza de la gravedad, debida al propio peso de la roca.

Si la fuerza lateral activa supera a la dos restantes, la masa total de la roca es empujada hacia arriba formndose los pliegues. Este movimiento lateral provoca fisuras o grietas paralelas a los ejes de los pliegues. Los pliegues se producen en un amplio rango de escalas, desde el orden de centmetros hasta kilmetros y se presentan generalmente en rocas de materiales de baja competencia, como las sedimentarias y las metamrficas de comportamiento ms plstico.

Pliegue sinclinalLos problemas mas tpicos que se pueden encontrar en zonas de pliegues del macizo rocoso mientras avanza la construccin de un tnel son:

Si el tnel discurre por una estructura anticlinal donde existen estratos de baja permeabilidad sobre otros de alta permeabilidad y porosidad, se pueden crear trampas para el gas metano.

Si el tnel discurre por una estructura sinclinal y los estratos de baja permeabilidad se intercalan sobre otros de alta permeabilidad y porosidad, se crean trampas para el agua, lo que hace que se formen depsitos de agua que pueden resultar peligrosos para la excavacin.

Si se localiza un tnel dentro de una estructura plegada habr que considerar que las rocas que se atraviesen estn sometidas a fuertes tensiones locales, lo que supondr un alto estado de fracturacin que las har menos competentes.

Si se tiene en cuenta la posicin relativa de la direccin de los tneles con respecto al eje del plegamiento se pueden considerar los siguientes casos:

Caso 1: tneles siguiendo la direccin del eje de plegamiento. Sufrirn menores presiones si discurren por un anticlinal, que si van por un sinclinal; adems en este segundo caso recogern las aguas de filtracin del terreno.

Caso 2: tneles con direccin perpendicular al eje de plegamiento. Las presiones a lo largo de su trazado sern variables, dependiendo adems de la disposicin en anticlinal o sinclinal de los estratos. En un anticlinal en el ncleo se observaran presiones menores que hacia los flancos, sucediendo lo contrario en un sinclinal.

d) EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO.

El agua que llega a los tneles procede principalmente de la infiltracin de las aguas metericas, como son el agua de lluvia, del deshielo de la nieve, filtracin de agua de ros, lagos, embalses, etc.; tambin pueden proceder de aguas juveniles, del agua que quedo retinada cuando se formaron las rocas gneas o sedimentarias, y del agua de mar en el caso de excavaciones realizadas bajo el mismo.

En relacin con el agua, hay cuatro puntos relevantes a considerar:

1. Avenidas de agua en macizos muy fisurados.

2. Presiones hidrulicas que se ejercen sobre los revestimientos impermeables.

3. Alteracin de las propiedades plsticas y resistentes de suelos y macizos rocosos, provocadas por el agua.

4. Reaccin fsica y qumica del agua con ciertas rocas (yesos y anhidritas) necesitndose sostenimientos importantes y tratamientos especiales.

Un aspecto del agua que irrumpe en las excavaciones es su origen, as de una manera global se pueden dividir en dos grandes grupos: agua superficial y agua subterrnea. El agua superficial esta asociada con los arroyos, ros, lagos, estuarios y mares. Es aconsejable disponer de registros de los niveles de los ros y lagos y su relacin con las precipitaciones; en el caso de que los tneles estn cerca de una zona sometida a mareas es importante tener datos de las mareas e informacin sobre oleajes; y para el caso de estuarios es conveniente disponer de los registros de avenidas de los ros.

Adems de estos problemas, los cambios en los niveles de aguas superficiales afectaran a los niveles freticos en el terreno. La determinacin de estos niveles y las variaciones que sufren a largo plazo constituyen un cometido importante de la investigacin que se realiza por medio de sondeos e instalacin de piezmetros.

Para controlar y conocer la circulacin del agua subterrnea en una zona, habr que realizar un estudio de la hidrologa local, para interpretar a partir de predicciones geolgicas la situacin de los acuferos, las direcciones ms probables de circulacin y posicin de los niveles freticos. Tambin se debe tener en cuenta el agua que circula por las discontinuidades.

Los principales problemas ocasionados por el agua son:

Inestabilidad de la excavacin provocada por un gradiente hidrulico elevado cerca de los hastales del tnel.

La disminucin de las propiedades resistentes del terreno.

Asentamientos de las estructuras apoyadas en depsitos de suelos.

En general el agua se suele drenar con cierta facilidad, pero suele continuar fluyendo o goteando, en la mayora de los casos, produciendo humedades en el revestimiento de hormign de los tneles, si no se aplican tcnicas especiales de impermeabilizacin. Es norma de buena ejecucin el llevar unos sondeos en avance, en corona, por delante de las galeras de ataque para prevenir en zonas fisuradas o con posible carstificacin, el encuentro o proximidad de bolsadas importantes de agua.

Frente a ese problema se pueden adoptar tres soluciones:

1. Permitir la entrada de agua en el tnel. Esta solucin es solo aceptada en tneles cortos o de trafico escaso, debido fundamentalmente al rechazo que entre los usuarios tiene el observar el goteo de agua y los riegos que esto pude acarrear.

2. Controlar la entrada de agua mediante juntas abiertas.

3. Impermeabilizar con el revestimiento. Este proceso tiene xito si se coloca entre este y la roca un drenaje para el agua.

DIFICULTADES DEL TERRENO DURANTE LA CONSTRUCCIN DE UN TNEL.

El trazado y perfil de un tnel deben cumplir las condiciones impuestas por la utilizacin futura de la obra, teniendo en cuenta que estas podrn estar a su vez afectadas por:

La naturaleza de los terrenos que atraviesan.

La presencia de agua y los caudales previsibles.

La orientacin del tnel en relacin con las principales direcciones de las discontinuidades.

La presencia de accidentes geolgicos.

La orientacin y valor de las tensiones principales.

La situacin del frente de la excavacin considerando las posibles zonas inestables, zonas hmedas, zonas que necesitan soportes especiales y zonas de fuerte pendiente.

A fin de evitar estas posibles complicaciones, se debe realizar en primer lugar un estudio de las propiedades del macizo rocoso; para esto se deben evaluar, al menos, los siguientes parmetros:

1. Resistencia del macizo rocoso: es la relacin entre la resistencia a la compresin de la roca y la presin del recubrimiento; esta ultima en funcin de la densidad de la roca y la profundidad del tnel.

2. Fracturacin del macizo rocoso: existen varias formas de determinarla, siendo una de las ms comunes el ndice de fracturas por metro o tambin el RQD (rock quality designation).

3. Resistencia al corte de las discontinuidades: este paramento se determina por observacin, ser dbil si las juntas tienen superficies lisas y estn rellenas de material con resistencia menor que la propia roca; moderada si la junta tiene superficie rugosa y fuerte si la junta esta llena de material con resistencia igual o mayor que la de la roca.

Cuando se han determinado estos parmetros se podrn definir zonas o tramos con comportamiento similar con relacin a la resistencia y fracturacin del macizo rocoso, en el conjunto del proyecto.

EL SISTEMA CONSTRUCTIVO.

Desde un punto de vista exclusivamente terico, se dice con frecuencia que el sistema constructivo de un tnel es la simple consecuencia de los estudios bsicos del proyecto. Es cierto que las posibles alternativas constructivas pueden calificarse al final de un proceso de diseo, realizado solo con los otros criterios bsicos mencionados, para ofrecer al cliente una seleccin de las ofertas de construccin. Pero no es menos cierto que hoy en da los proyectistas de tneles tienen en cuenta, desde un principio, los posibles mtodos constructivos como uno mas de los temas bsicos a considerar y esto explica, una vez mas, porque en las obras subterrneas, mas que en ninguna otra especialidad las decisiones estn altamente interrelacionadas y si se prescinde del mtodo de construccin, o no se le da la importancia debida, pueden llevarse grandes sorpresas y complicaciones.

Prcticamente todas las posibilidades actuales de construccin de tneles se pueden reunir en dos grupos:

1. Corte y relleno.

2. Excavacin subterrnea o en mina.

Para elegir el sistema constructivo correcto, a emplear en un determinado tnel, se manejan varios criterios, algunos de ndole tcnico y otros econmicos. A continuacin se muestran los aspectos que se tienen en cuenta en cada uno de ellos; por supuesto, cada caso concreto puede tener condicionantes de otro tipo que obliguen a una determinada solucin.- Resistencia del Terreno: cuando la roca tiene una alta resistencia se esta obligado a emplear la excavacin mediante explosivos, mientras que si la resistencia es media o baja pueden emplearse indistintamente la voladura o la excavacin mecnica. - Abrasividad de la roca: una alta abrasividad de la roca hace inviable la excavacin mecnica, principalmente con rozadora. - Forma y dimensin de la seccin: la seccin tipo del tnel puede ser un condicionante por alguno de los siguientes motivos: Las tuneladoras (topos), permiten nicamente perforar tneles de forma circular, por lo que en tneles de carretera, que necesitan una base plana, se desaprovecha mucho espacio. Hoy en da ya se fabrican topos con varias cabezas que proporcionan secciones ovaladas, pero son relativamente costosos y su uso est limitado a suelos o rocas blandas.

En la excavacin de tneles de carretera en roca, los topos se usan en ciertas ocasiones en la ejecucin de galeras piloto. Estas galeras sirven para el reconocimiento del terreno y actan como un gran "cuele" que facilita la excavacin posterior del resto de la seccin con perforacin y voladura o con cualquier otro sistema de excavacin.

Actualmente los topos ms grandes existentes en el mercado alcanzan los 12 metros de dimetro y las rozadoras de mayor envergadura de brazo alcanzan los 7,50 metros de altura de corte. Los tneles de carretera, por su gran seccin, generalmente se excavan en fases, usndose mayoritariamente el mtodo de perforacin y voladura para rocas duras y las rozadoras y excavadoras hidrulicas para rocas blandas.- Costo de la Maquinaria: los topos tienen un costo elevado de inversin inicial. Esta inversin resultar rentable para un determinado nmero de metros lineales de tnel perforado, lo que exigir un proyecto con importantes longitudes de tneles que permitan la amortizacin del topo. Para secciones normales, existe un amplio mercado de topos de segunda mano que, convenientemente readaptados pueden ser utilizados en rgimen de alquiler o compra con unos costos razonables.

- Vibraciones: los explosivos producen unas vibraciones que los hacen muy complicados de utilizar en zonas urbanas o prximas a edificios habitados o de inters. Incluso pueden existir problemas cuando la voladura se efecta en la proximidad de vas de circulacin en uso, llmese, carreteras, ferrocarriles, etc. En tales casos, normalmente se prefiere utilizar medios mecnicos de excavacin por razones de seguridad con el fin de evitar posibles daos.

CORTE Y RELLENO.

Aunque pueda parecer una contradiccin, lo primero que debe considerar el proyectista de un tnel es la posibilidad de construirlo con tcnicas de trabajo a cielo abierto, es decir, lo ms sencillo es excavar una zanja, construir la estructura del tnel, rellenar la zanja y volver la superficie a su condicin original, sin embargo, el soporte del terreno, el mantenimiento de la superficie existente y las instalaciones subterrneas hacen que la mayora de los proyectos sean mucho mas complejos. Por todo esto se debe tener en cuenta lo siguiente:

Pueden considerarse como trazados superficiales los que no superan los 20 metros de profundidad, porque es en ellos donde el mtodo de corte y relleno representa una alternativa viable y probablemente ms econmica.

El posible inters de esta solucin se basa, no solo en el menor costo de las obras comparadas con sus correlativas en subterrneo, sino que, adems, las ventajas de colaboracin del macizo rocoso en tneles superficiales son mnimas, pudiendo llegar a desaparecer, lo que puede hacer que la solucin en mina resulte, no solo mas cara, sino tambin mas arriesgada.

Cuando por condicionantes medio ambientales, o de otro tipo, no es posible la pura excavacin a cielo abierto, el sistema corte y relleno requiere obras de contencin previa, tales como pantallas continuas de diversa topologa u otras estructuras con fines anlogos.

Tneles subacuaticos; para formar una transicin entre un acceso de corte a cielo abierto y un tnel principal.

En los portales de los tneles en montaas.

En condiciones urbanas donde es preciso cubrir la ruta y la superficie se deber volver a su condicin original.

Por razones estticas; se busca proteger zonas residenciales, pintorescas, parques y reservas naturales contra molestias visuales y acsticas.

En resumen, hay que considerar siempre como primera opcin soluciones del tipo corte y relleno y solo desecharlas totalmente ante condicionantes extremos que obliguen claramente a la excavacin subterrnea, pese a su mayor costo, como sucede, a veces, en zonas urbanas.

EXCAVACIN SUBTERRNEA O EN MINA.

Los mtodos de excavacin subterrnea de tneles dependen en primer lugar, y de forma fundamental, del tipo de terreno a atravesar. De este modo cabe hablar por separado de la excavacin de tneles en roca y de la excavacin de tneles en suelos o terrenos blandos. En este caso profundizaremos siempre la excavacin en roca, siendo esta la ms habitual en tneles de carretera.

Los mtodos de excavacin de tneles en roca son bsicamente dos: el de perforacin y voladura, mediante la utilizacin de explosivos y la excavacin mecnica, mediante

tuneladoras o topos (TBM), especialmente diseados para este fin y mquinas de ataque puntual, rozadoras o martillos de impacto.

1. Perforacin y Voladura. Es el ms utilizado para tneles en roca y el nico posible cuando la roca es muy abrasiva, muy resistente o se encuentra como macizo. Bsicamente consiste en efectuar unos taladros en el frente de excavacin, cargarlos con explosivos y hacerlos detonar. La reaccin explosiva genera una energa en forma de presin de gases y energa de vibracin, capaz de quebrantar la estructura de la roca.Fundamentos del Mtodo.

Como ya se ha sealado anteriormente, la excavacin mediante perforacin y voladura es el sistema ms utilizado para la excavacin de tneles en roca. Las partes o trabajos elementales de que consta el ciclo de trabajo caracterstico de este sistema son las siguientes:

Replanteo en el frente del esquema de tiro o diagrama de disparo

Perforacin de los taladros

Carga de los taladros con explosivo (barrenos)

Voladura y ventilacin

Retirada del escombro y saneo del frente, bveda y hastales.

El esquema de tiro es la disposicin en el frente del tnel de los taladros que se van a perforar, la carga de explosivo que se va a introducir en cada uno y el orden en que se va a hacer detonar cada barreno. El esquema de tiro se disea al principio de la obra en base a la experiencia y a una serie de reglas empricas recogidas en los manuales sobre explosivos. Posteriormente, a lo largo de la excavacin del tnel, se ir ajustando en funcin de los resultados obtenidos en cada voladura.

El mal diseo de un esquema de tiro acarrea graves problemas tales como:

Si la tronadura produce una marina demasiado entera, aumenta el trabajo de los cargadores, esto hace que las maniobras para la extraccin de marina sean ms lentas y poco seguras lo que disminuye el avance. El lograr extraer una marina demasiado entera ocurre, por querer disminuir la cantidad de explosivos, sin embargo, este ahorro no compensa el mayor costo de la operacin.

Cuando se extrae marina demasiado molida, se debe principalmente al exceso de uso de explosivo lo que incide en un aumento de costos, se pude cuasar destruccin de las maderas, se produce una alta concentracin de polvos y gases txicos, etc.

Si por algn motivo se soplan las cuele, se pierde todo el disparo o quedan fondos de tiros muy largos lo que implica una perdida de trabajo y de explosivo.

Para la perforacin y voladura, la seccin terica del tnel se divide en zonas, en las que las exigencias, tanto de densidad de perforacin, como de carga especfica de explosivo y secuencia de encendido son distintas, estas zonas son:

Cueles o Rainuras: es la fase de la voladura que se desplaza en primer lugar y la ms importante de todas. Su finalidad es crear una primera abertura en la roca que ofrezca al resto de las fases una superficie libre hacia la que pueda escapar la roca, con lo cual se posibilita y facilita su arranque. Existen distintos tipos de cuele, en V, en abanico y paralelo; siendo este ultimo, dada su simplicidad el mas utilizado de todos. Contracueles o Picones: son tiros auxiliares inclinados, que se colocan entre las rainuras y que tienen la finalidad de cooperar en corte inicial que efectan las rainuras. Algunas veces se perforan unos tiros llamados maricones u hoyos vacos, estos no se cargan a efecto de producir caras libres y que ayuden al espaciamiento del material tronado.Zonas de esquema de tiro Tipos de cuele

Destrozas, Descargas o Cajas: es la parte central y ms amplia de la voladura, cuya eficacia depende fundamentalmente del xito de la zona del cuele y contracuele, que es la zona crtica de la voladura. Zapateras: es la zona de la voladura situada en la base del frente, a ras de suelo. Los taladros extremos suelen ir un poco abiertos pinchados hacia fuera con objeto de dejar sitio suficiente para la perforacin del siguiente avance. Los barrenos de las zapateras son los que ms carga explosiva contienen ya que, aparte de romper la roca han de levantar sta hacia arriba. Para evitar repis, van ligeramente "pinchados" hacia abajo y son disparados en ltimo lugar.

Contorno o Coronas: los taladros perimetrales o de contorno son importantes pues de ellos depender la forma perimetral de la excavacin resultante. Lo ideal es que la forma real del permetro del tnel sea lo ms parecida posible a la terica, aunque las irregularidades y discontinuidades de la roca dificultan dicho objetivo.Maquinaria de Perforacin.La perforacin de los taladros se puede hacer por dos procedimientos: el primero es mediante el uso de martillos manuales accionados por aire comprimido, y el segundo es mediante martillos hidrulicos montados sobre una maquina automvil denominada jumbo.

- Martillos Manuales: los martillos manuales de aire comprimido funcionan a percusin, es decir, la barrena golpea contra la roca y gira de forma discontinua entre cada percusin, separndose del fondo del taladro. El detritus es arrastrado hasta el exterior del taladro mediante agua, que tiene tambin la finalidad de refrigerar la barrena. Los martillos manuales son actualmente de uso infrecuente, slo se usan, obviamente, en tneles muy pequeos o de forma accidental, pues tienen rendimientos muy inferiores a los jumbos y requieren mucha mano de obra.

Esquema de martillo maual

- Jumbos: la maquina habitual de perforacin es el jumbo; consta de una carrocera automvil dotada de dos o tres brazos articulados, segn los modelos. En cada brazo puede montarse un martillo de perforacin (perforadora) o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. El funcionamiento de los jumbos es elctrico cuando estn estacionados en situacin de trabajo y pueden disponer tambin de un motor diesel para el desplazamiento.

Los martillos funcionan a rotopercusin, es decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultneamente un impacto sobre el fondo del taladro. El accionamiento es hidrulico, con lo que se consiguen potencias mucho ms elevadas que con el sistema neumtico. El arrastre del detritus y la refrigeracin se consiguen igualmente con agua. Los rendimientos de perforacin que se consiguen en los jumbos hidrulicos modernos, pueden superar los 3,5 m/min. de velocidad instantnea de perforacin.Los jumbos actuales tienen sistemas electrnicos para controlar la direccin de los taladros, el impacto y la velocidad de rotacin de los martillos e incluso pueden memorizar el esquema de tiro y perforar todos los taladros automticamente. En este caso un nico maquinista puede realizar todo el trabajo de perforacin en unas pocas horas.

Jumbo - Accesorios de Perforacin: los accesorios de perforacin comnmente usados son las varillas o barrenas y las bocas de perforacin. Adems se emplean manguitos y otros adaptadores para el ensamblaje de las piezas. Las barrenas de perforacin son simplemente barras de acero con un conducto interior para el paso del agua de refrigeracin y unas roscas en los extremos donde se acoplan las bocas o los manguitos. La boca de perforacin es la herramienta de corte, que generalmente es de metal endurecido, dispuesto en diversas formas: en cruz, en X o botones. Los dimetros habituales estn comprendidos entre 45 y 102 mm.

Barrenas y bocas de perforacinLa eleccin de un tipo u otro de boca, as como de sus dimetros, depende del tipo de maquinaria de perforacin, de las caractersticas de la roca y del dimetro de los cartuchos del explosivo a introducir. Generalmente las bocas de botones son las que proporcionan un mayor rendimiento, al golpear la roca de forma ms homognea y ser ms fcil la evacuacin del detritus de roca. Para tal fin se pueden disponer varias entradas de agua frontales y tambin laterales. Para la eleccin del material de perforacin y sus accesorios se recomiendan el uso de los manuales especializados facilitados por los fabricantes.Materiales, Accesorios e Instrumentos de prueba para tronaduras.

En las operaciones de cargar y tronar se utilizan explosivos, mechas o guas y detonadores, que son consumidos totalmente en el disparo; se usan adems otros elementos, tales como: maquinas detonadoras, interruptores de corriente elctrica, instrumentos de prueba, alicates de seguridad, etc.

- Dinamita: es un explosivo violento, que al detonar aumenta 19000 veces su volumen, con gran desprendimiento de gases. Se fabrica en varios tipos y clases, que difieren unas de otras en una o ms caractersticas o propiedades. Las propiedades ms importantes de la dinamita son su potencia, densidad, velocidad de detonacin, inflamabilidad, sensibilidad, estabilidad, resistencia al agua, resistencia a las bajas temperaturas y emanacin de gases. Para determinar el mejor tipo de explosivo para cada cerro, es necesario una atenta observacin de l y mejor aun, recurrir a la experimentacin; es necesario observar la densidad, dureza y estructura de la roca, la cantidad y clase de polvo que desprende con los disparos y determinar la fragmentacin deseada para la saca, antes de proceder a elegir la clase de dinamita que se va a emplear.

- Detonadores: Fulminantes corrientes N 6 y N 8; el mas utilizado es el N 6 que posee la potencia suficientes como para detonar las dinamitas comerciales.

Estopines o fulminantes elctricos; existen de diferentes tipos, instantneos, milisegundos y ordinarios de tiempo. Las normas nacionales e internacionales prohben que se empleen en las series estopines de distintos tipos.

Mecha o Cordn detonante; su velocidad de avance es de 6000 m/s aproximadamente y para iniciar su detonacin se necesita de la potencia explosiva de un fulminante corrientes o de un estopn elctrico, ya que no detona con llama, golpe o friccin.

- Iniciadores: la mecha o gua para mina es un cordn formado por un ncleo central de plvora, recubierto por una o varias capas de tejidos de algodn o camo u substancias impermeabilizantes, que tiene por objeto conducir el fuego en forma continua y a velocidad uniforme, con el fin de hacer estallar un fulminante o encender plvora. Generalmente las mechas se clasifican entres grupos llamados A, B y C; al grupo A pertenecen las de mayor impermeabilidad, al B las menos impermeables, y al grupo C, las sin exigencia de impermeabilidad.

Cordn detonante colocado en el barreno- Maquinas Elctricas Detonadoras de Estopines: cuando un disparo se prepara para iniciarlo elctricamente, debe contarse con una fuente de poder que suministre la cantidad adecuada de corriente para hacer actuar los detonadores electricos. Esta funcin la cumplen las maquinas detonadoras o explosoras. De estas maquinas existen dos tipos diferentes: uno que corresponde a un generador de corriente de accionar mecnico y el otro que es el tipo de descarga de condensador.

- Interruptores de Corriente Elctrica: cuando no se dispone de maquina detonadora y se recurre a usar la corriente del alumbrado, se debern utilizar interruptores de contacto y de interrupcin rpida.

- Alicates de Seguridad: herramienta de primordial importancia en la preparacin de los cebos, para abrir los agujeros en los cartuchos de dinamita y fijar los fulminantes corrientes a la mecha o gua.

- Punzones: son de madera, bronce o cobre y realizan el trabajo de abrir los agujeros en los cartuchos de dinamita, donde es colocado el fulminante o estopin. El largo y dimetro de ellos es determinado por el tipo de detonadores usados.

- Cucharas: herramientas de cobre o bronce, de 2 a 3 metros de largo y que sirven para limpiar las perforaciones.

- Taqueadores: son varas cilndricas de madera, cuya funcin es comprimir la dinamita en el interior de las perforaciones.

- Alambres Conductores: su funcin es llevar la corriente elctrica desde la fuente generadora a los estopines para hacerlos detonar.

- Galvanmetro: es de gran importancia en todos los disparos con fulminantes elctricos; sirve para probar los estopines elctricos individualmente, comprueba la continuidad de un circuito, localiza conexiones defectuosas o alambres rotos, determina la resistencia de los circuitos, comprobando si se encuentran en correctas condiciones par el disparo, etc.

- Voltohmetro: es una combinacin de voltmetro y ohmetro de gran sensibilidad, que permite detectar y medir corrientes de fuga de muy bajo voltaje, realizando adems, todas las operaciones del galvanmetro en disparos elctricos.

Volthmetro para voladuras2. Excavacin Mecnica. En la excavacin mecnica la energa utilizada se concentra en la punta del til o tiles de la mquina en contacto con la roca, de modo que supera la resistencia de la roca a su penetracin, traccin y cizallamiento. Generalmente, la energa inicial es suministrada por motores elctricos que mediante un circuito hidrulico, la transmiten a las herramientas de corte en contacto con la roca.En la excavacin mecnica se utilizan distintas herramientas o tiles de corte, que son los elementos que impactan sobre la roca y arrancan de ella pequeos fragmentos. Algunos de los tiles de corte son: Picas de friccin o de desgaste Cortadoras de disco

Cortadoras de ruedas dentadas

Cortadora de botones

Impactadores Cortadores vibrantes

tiles de excavacin mecnicaLas picas de friccin son el elemento de corte utilizado por las rozadoras y por algunas tuneladoras de terrenos blandos. Bsicamente constan de un inserto de metal duro dentro de una matriz de acero de alta dureza y tenacidad. Para rocas de mayores resistencias, el elemento de corte adecuado es el cortador de disco, que es el que habitualmente utilizan las tuneladoras o topos, el que consiste en una base de metal duro en forma de disco con uno o varios filos recambiables de acero endurecido y montado sobre un soporte de rodamientos.

Los sistemas de excavacin mecnica son fundamentalmente tres:

- Maquinas Topo (TBM): las mquinas topo, tuneladoras o TBM (Tunnel Boring Machine) son mquinas integrales de construccin de tneles, por cuanto son capaces por s solas de excavar la roca, retirar el escombro y aplicar el revestimiento del tnel; la mquina va avanzando y dejando tras de s el tnel terminado. La excavacin de la roca se produce a seccin plena, generalmente de forma circular.

Esquema de maquina topoEn la figura se observa el esquema de un topo; consta de una cabeza de corte giratoria de forma circular donde van alojados los discos cortadores. Detrs de la cabeza se encuentra un sistema formado por gatos que presionando sobre el terreno y sobre la cabeza ejercen en sta la presin necesaria para la excavacin de la roca. El escombro se carga automticamente en el frente y se conduce hacia atrs mediante una cinta transportadora, que lo deposita en unas vagonetas para su traslado al exterior. La parte esttica de la maquina se fija contra las paredes del tnel por medio de codales extensibles o grippers y la excavacin de la roca se produce en forma de lajas o chips de roca de tamao superior al producido con las rozadoras.

Tambin pueden existir sistemas adicionales de colocacin de bulones, de cerchas y de hormigonado. Los topos tambin pueden tener sistemas para colocacin de rieles, sobre los que circulan las vagonetas y una plataforma donde va alojado todo el sistema de control, guiado y suministro de energa. En definitiva, el topo consta de todos los elementos necesarios para completar el tnel, montados uno tras otro y actuando de forma sucesiva.- Rozadoras: la rozadora es una mquina excavadora que mediante una cabeza rotatoria provista de picas de friccin que inciden sobre la roca, arranca pequeos fragmentos de sta, en forma de lajas o chips de roca. La cabeza va montada sobre un brazo articulado con el fin de que pueda acceder a todos los puntos del frente de excavacin. Completan la rozadora un sistema de recogida y transporte del escombro y un chasis automvil sobre orugas.

Rozadora.

Existen dos sistemas distintos de corte en las rozadoras actuales: el ripping de cabezal frontal y el milling de cabezal radial. En el ripping la cabeza gira en torno a un eje que es perpendicular al eje del tnel, tratndose en realidad de dos cabezas simtricas; las picas golpean frontalmente a la roca. En el milling la cabeza gira en torno a un eje longitudinal, paralelo al eje del tnel; las picas van dispuestas en forma helicoidal y golpean a la roca de forma lateral. Ambos sistemas proporcionan resultados similares, por lo que no se puede considerar que uno sea mejor que el otro, si bien a igualdad de potencia de la cabeza de corte y para una roca de dureza determinada, el rendimiento de excavacin de las rozadoras de cabezal frontal es un 30% superior al de las rozadoras con cabezal radial.Las picas son de dimensiones y formas distintas segn los usos. Cada fabricante proporciona unos criterios de uso de sus picas, que tambin han de comprobarse sobre el terreno hasta elegir el tipo ms adecuado. Generalmente se usan picas delgadas y estrechas para suelos y rocas blandas y picas gruesas de forma fusiforme para las rocas ms duras. Las rozadoras se clasifican por su peso, dado que la fuerza que ejerce la cabeza contra la roca es contrarrestada nicamente por el peso de la mquina. De este modo, a mayor peso mayor ser la capacidad de la rozadora para excavar rocas ms resistentes, y por tanto ir dotada de mayor potencia de corte.- Martillo Hidrulico: mquina de ataque puntual; cuya energa se genera mediante motores elctricos o diesel y se transmite a travs de un circuito hidrulico, a la herramienta "puntero", situada en el extremo del brazo articulado de la mquina. La roca es quebrantada mediante la energa de impacto generada, y el material rocoso excavado se desprende en forma de pequeos bloques o esquirlas.Montado sobre una retroexcavadora ordinaria de cadenas tiene una importante utilidad cuando se trata de excavar rocas blandas o fisuradas en las fases de destroza, donde compite ventajosamente con los otros mtodos ms potentes. En la fase de avance no debe emplearse, pues este sistema necesita al menos dos caras libres de salida de la roca para lograr un rendimiento adecuado. Las ventajas principales son el bajo costo, necesidad de pocos operarios, y una mayor produccin, movilidad y flexibilidad.Hoy en da existen sistemas automticos que ajustan la fuerza y la cadencia de los golpes en funcin de la resistencia que presenta el terreno, con lo que se consiguen rendimientos muy elevados. Tambin se montan martillos sobre excavadoras-cargadoras provistas de un sistema de evacuacin de escombros.

Extraccin de Escombros.

Un sistema eficiente de transporte y extraccin del escombro reduce el tiempo de los ciclos de trabajo y el costo de la excavacin de un tnel. Esto es as porque en una excavacin subterrnea se dispone siempre de poco espacio y adems el acceso al frente de excavacin es muy restringido, nicamente a lo largo del tnel ya excavado. Es fundamental, pues, quitar el escombro rpidamente para que puedan iniciarse las tareas de sostenimiento, sacndolo al exterior para que no dificulte el movimiento de mquinas y materiales por el tnel.El sistema a emplear depender de la cantidad de material a transportar por ciclo y de la longitud de transporte. En tneles de carretera las secciones de excavacin son grandes, entre 80 y 110 m por lo general, con lo que el volumen de escombro es importante. Esto hace que no se usen en general los sistemas de transporte mediante cinta o vagonetas, sino los sistemas mediante maquinaria sobre neumticos.

Los mtodos ms usuales, en funcin de la distancia de transporte, son los siguientes:

Pala cargadora de perfil bajo: para distancias cortas, inferiores a 500 metros, y tneles de pequea y mediana seccin, se utiliza una pala con una cuchara de gran capacidad (3m) que carga el escombro del frente y lo lleva hasta el exterior. No es necesario girar la mquina ya que el maquinista se sienta lateralmente y puede conducir igualmente en ambos sentidos. Para distancias ms largas se utilizan zonas de acopio intermedio de escombros.

Pala cargadora + Camion Dumper: se usa en distancias mayores de 500 metros en tneles de gran seccin (>70 m). Una pala cargadora sobre neumticos recoge el escombro y lo carga sobre camin, que lo saca fuera del tnel. La pala suele ser articulada para facilitar sus movimientos dentro del tnel. Si la distancia es muy grande, se pueden habilitar zonas de ensanche a lo largo del tnel que permiten el cruce de camiones Dumper o emplear Dumpers formados por una cabeza tractora y cajas desacoplables. Cuando la excavacin se realiza con mquina tuneladora y para tneles de gran seccin, la extraccin se escombros se realiza con camiones Dumper que son cargados en el frente por la cinta porticada del topo.

Vagonetas sobre va: para tneles muy largos y de secciones medianas, la extraccin de escombros se realiza con vagonetas sobre va; son recomendables para distancias de transporte superiores a los 1500 m.

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Diaclasas

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Roca gnea - Las lneas de colores claros,

muestran la direccin del flujo de lava

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Estratos de roca caliza

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Estructura de un fulminante

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Estructura de un estopn instantneo

Sistemas de corte

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La explosora de descarga de condensador no dispara a menos que ambos botones el de "carga" y el de "disparo" ("charge" y "fire" respectivamente) sean accionados conjuntamente.

Martillo hidrulico con rozadora

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Maquina topo